ROS対応マイコンシミュレータ athrill 颯爽と登場！

#概要
前回，ROSを使ってUnityの仮想車両をマイコンシミュレータで制御してみました．

ただ，ここでわかった課題は『シミュレーションが重い，遅い・・』でした．
Unityだけでも結構重いのですが，それに加えてマイコンシミュレータも動かすため，１マシンでシミュレーションするのは限界を感じていました．

そこで，マイコンシミュレータ上で動作させていた組込み向けROSライブラリ(mROSをマイコンシミュレータに組み込んでみたらどうか？というのが今回の記事の内容です．

この成果は，SWEST21でご紹介しますので，もし参加される方いらっしゃいましたら，ぜひインタラクティブセッション/athrill・箱庭のセッションにお立ち寄りください！

#今回の取り組み内容
既存のマイコンシミュレータで，ROSトピックの出版・購読できるようなものはあまり聞いたことがないので，TOPPERS/athrill を改造しました．

具体的には，以下の３点の改造を実施しました．

• mROSの athrill移植
  • mROSソースを x86用にビルドし直して，ターゲット依存部(RTOSやLWIP)を汎用OSの機能に差し替えるだけ
• mROS機能の抜き差し機構の追加
  • mROS は athrill のプラグインという位置づけが良いかと思ったので，抜き差しできるようにインタフェースを切りました．
  • athrillのデバイスレジスタへ I/O することで，トピックデータを読み書きができます
• mROS機能のパラメータ
  • ROSトピックは athrill のパラメータファイルに任意のものを定義できるようにしました．
  • ただし，トピックのデータ型は，std_msgs/String のみとしています．

#スタック構成
よくわからない？と思われる方に向けて，今回実施したことをスタック構成で図解したいと思います．

まず，これまで mROS がどこにいたかというと，組み込みソフトウェアの一部(ミドルウェア)として配置されており，athrillの仮想空間上で動作していました．

これに対して，今回の取り組みにより，mROSは athrill の内部に組み込まれました．

#サンプルアプリ
athrill上で動作するベアメタルアプリを以下で公開しました．

https://github.com/tmori/athrill-sample/tree/master/baremetal/dev-sample/dev-mros
※main.c を参照ください．

トピック出版は以下のように行います．

static const char *sample_publish_data = "Hello World!!";

int main(void)
{
	int datalen = strlen(sample_publish_data);
	/*
	 * 送信用バッファのアドレスを athrill のデバイスレジスタ(VCAN_TX_DATA_0)に登録
	 */
	sil_wrw_mem((void*)(VCAN_TX_DATA_0(0)), (uint32)sample_publish_data);
	/*
	 * 送信データ長を athrill のデバイスレジスタ(VCAN_TX_DATA_1)に登録
	 */
	sil_wrw_mem((void*)(VCAN_TX_DATA_1(0)), datalen);
}
void timer_interrupt_handler(void)
{
	/*
	 * 送信フラグレジスタに 1 を書き込むとトピックデータが送信されます
	 */
	sil_wrb_mem((void*)(VCAN_TX_FLAG(0) + 0), 1);
}

トピック購読は以下のように行います．

static char subscribe_buffer0[1024];
int main(void)
{
	/*
	 * 受信用バッファのアドレスを athrill のデバイスレジスタ(VCAN_RX_DATA_0)に登録
	 */
	sil_wrw_mem((void*)(VCAN_RX_DATA_0(0)), (uint32)subscribe_buffer0);
	/*
	 * 受信バッファサイズを athrill のデバイスレジスタ(VCAN_RX_DATA_1)に登録
	 */
	sil_wrw_mem((void*)(VCAN_RX_DATA_1(0)), sizeof(subscribe_buffer0));
}
void timer_interrupt_handler(void)
{
	uint8 is_rcv = 0;
	/*
	 * 受信データの到着判定はVCAN_RX_FLAGの値で判断(0:データなし,1:データあり)
	 */
	is_rcv = sil_reb_mem((void*)(VCAN_RX_FLAG(0)));
	if (is_rcv != 0) {
		test_print("RECV CAN_DATA:");
		test_print(subscribe_buffer0);
		test_print_one("\n");
		sil_wrb_mem((void*)(VCAN_RX_FLAG(0)), 0);
	}
}

出版/購読するトピックデータは，athrillのパラメータ定義ファイル(device_config.txt)で以下のように行います．

DEBUG_FUNC_ENABLE_MROS		1
DEBUG_FUNC_MROS_TOPIC_PUB_NUM	2
DEBUG_FUNC_MROS_TOPIC_PUB_0	CANID_0x100
DEBUG_FUNC_MROS_TOPIC_PUB_1	CANID_0x101
DEBUG_FUNC_MROS_TOPIC_SUB_NUM	2
DEBUG_FUNC_MROS_TOPIC_SUB_0	CANID_0x400
DEBUG_FUNC_MROS_TOPIC_SUB_1	CANID_0x404

以下，各パラメータの説明です．

• DEBUG_FUNC_ENABLE_MROS
• athrillのROS機能を使う場合は 1 を設定します
• DEBUG_FUNC_MROS_TOPIC_PUB_NUM
• 出版するトピック数を定義します．最大で1024個まで定義可能．
• DEBUG_FUNC_MROS_TOPIC_PUB_<0からの連番値>
• 出版するトピック名を定義します．DEBUG_FUNC_MROS_TOPIC_PUB_NUMで定義した個分だけ定義します．
• DEBUG_FUNC_MROS_TOPIC_SUB_NUM
• 購読するトピック数を定義します．最大で1024個まで定義可能．
• DEBUG_FUNC_MROS_TOPIC_SUB_<0からの連番値>
• 購読するトピック名を定義します．DEBUG_FUNC_MROS_TOPIC_SUB_NUMで定義した個分だけ定義します．

#デモ
上記はあくまで単純な動作確認用のサンプルアプリなのですが，前回作成したアプリをこのathrill用に移植したアプリケーションソースを以下に公開しました(RTOS(asp3)上で動作しています)．

また，このアプリケーションを使ったデモをお見せします．

なお，前回はこのデモを動画を録画すると，マシンに負荷がかかりすぎて，障害物判定が間に合わなかったのですが，今回は見つけてくれています．

#ROS対応版のathrillのインストール手順
##動作環境
ROS対応版 athrill は，以下の環境で動作します．

• OS
• windows 10/WSL(Ubuntu 16.04.5 LTS), Linux(Ubuntu 16.04.5 LTS)
• 今回は Windows 10/WSLで動作確認しています．
• ROS
• kinetic

##athrillのチェックアウト

$ git clone https://github.com/tmori/athrill.git

##athrill-targetのチェックアウト

$ git clone https://github.com/tmori/athrill-target.git

##athrillのビルド

athrill と athrill-targetを以下のフォルダ構成にしてください．

.
├── athrill
└── athrill-target

ビルド実行場所である以下のフォルダに移動してください．

athrill-target/v850e2m/build_linux

以下のコマンドを実行し，ビルドしてください．
※make/gcc は事前にインストールしておいてください．

make clean;make

ビルド成功すると，以下のログが出力されます．

ranlib libmain.a libcui.a libcpu.a libbus.a libmpu.a libdevice.a libloader.a libstd.a libmros.a
gcc -O3 -Wl,--allow-multiple-definition libmain.a libcui.a libcpu.a libbus.a libmpu.a libdevice.a libloader.a libstd.a libmros.a -o athrill2  -lpthread  
/bin/cp athrill2 ../../../athrill/trunk/src/../../bin/linux/
chmod +x ../../../athrill/trunk/src/../../bin/linux/athrill2

##athrillのバイナリパスの設定

作成されたバイナリは，athrillの方のフォルダ内の bin/linux 配下に配置されますので，このパスを .bashrcに登録してください．

$ ls athrill/bin/linux
athrill   athrill_extfunc.sh  athrill-run         athrill_terminal  variable_conflict_check.groovy
athrill2  athrill_remote      athrill-run-remote  geany.sh          variable_conflict_check.sh

以下，設定例です．

export PATH=<athrill配置フォルダパス>/athrill/bin/linux:${PATH}

##インストール確認
任意のフォルダ上で，athrill2と叩いて，以下のメッセージが出力されていれば成功です．

$ athrill2
Usage:athrill -c<core num> -m <memory config file> [OPTION]... <load_file>
 -c                             : set core num. if -c is not set, core num = 2.
 -i                             : execute on the interaction mode. if -i is not set, execute on the background mode.
 -r                             : execute on the remote mode. this option is valid on the interaction mode.
 -t<timeout>                    : set program end time using <timeout> clocks. this option is valid on the background mode.
 -m<memory config file>         : set athrill memory configuration. rom, ram region is configured on your system.
 -d<device config file>         : set device parameter.

#何に使えるか？
えいやっと作ってみましたが，ここで冷静になって，これって何に使えるか考察してみます．
まず，マイコンシミュレータでROSを利用するというだけでしたら mROS だけで十分だと思います．

マイコンシミュレータである athrill が mROS を組み込んだ意義は，実は，仮想デバイスの通信手段が増えるという点にあると考えます．
※とうぜんですが，動作も早くなります．

たとえば，CANデバイスを考えてみましょう．CANデバイスをマイコンシミュレータに組み込んだ場合，その通信路をどうするか？という問題がでてきます．

TCPやUDP，はたまた，本物のCANバスという選択肢がありますが，ここにROS通信という選択肢が出てくるわけです．

ROSであれば，標準でさまざまなコマンドが用意されていますので，扱いが非常に楽です．
CANデータをROSトピックとして購読・出版できるようになりますから，rostopic echo を使えば流れているデータを簡単に参照できます．

また，テストデータを流したい場合は，rostopic pubを使えば好きなデータを流せます．
さらに通信構成は，rqt_graphを使えばこんな風にビジュアライズもしてくれます．

さらに，自分の宿題である ETロボコン向けシミュレータの取り組みに対しても，性能面・環境面で重要な位置づけとなることでしょう．今後にご期待ください！