实时编程

背景

实时计算是许多机器人系统的核心需求，尤其是安全关键和任务关键型应用，例如自动驾驶、航天器和工业制造。ROS 2 从设计之初就考虑了实时性能约束——这是 ROS 1 早期未涵盖的需求，而事后将 ROS 1 改造为实时友好的架构已经不现实。

这篇文档概述了实时计算的要求及软件工程师应遵循的最佳实践。核心要点如下：

构建实时系统，意味着实时循环必须在截止期限（deadline）内完成周期性更新，且只能容忍很小的误差（即允许的最大抖动）。为此，执行路径中必须避免一切非确定性操作，例如缺页中断、动态内存分配/释放，以及无限阻塞的同步原语。

倒立摆平衡是一个经典的控制问题，通常需要借助实时计算来解决。如果控制器意外阻塞过长时间，摆杆就会倒下或失稳。反之，只要控制器能以高于电机响应速度的频率稳定更新，就能及时处理传感器数据并保持平衡。

了解以上背景后，下面通过一个演示来体验实时编程。

安装并运行演示

该演示仅支持 Linux。ROS 社区中许多做实时计算的成员使用 Xenomai 或 RT_PREEMPT 作为实时方案，而演示中为优化性能所做的大量操作都依赖于 Linux 特有的机制。因此，macOS 和 Windows 用户请跳过这部分。

此外，本演示必须使用静态 DDS API 从源码构建。目前唯一支持的实现是 ConnextDDS。

首先，按照从源码构建 ROS 2 的说明，以 Connext DDS 作为中间件进行编译。

运行测试

运行前请确保系统至少有 8GB 可用内存。由于进程会锁定内存，swap 将不起作用。

source 你的 ROS 2 setup.bash：

source ./install/setup.bash

运行演示程序。如遇权限问题，可能需要加 sudo：

$ ros2 run pendulum_control pendulum_demo
Initial major pagefaults: 518
Initial minor pagefaults: 2139466
No results filename given, not writing results
rttest statistics:
- Minor pagefaults: 0
- Major pagefaults: 0
Latency (time after deadline was missed):
   - Min: 1851 ns
   - Max: 166796 ns
   - Mean: 14229.182000 ns
   - Standard deviation: 12288.040996

你可能会看到如下 stderr 输出：

mlockall failed: Cannot allocate memory
Couldn't lock all cached virtual memory.
Pagefaults from reading pages not yet mapped into RAM will be recorded.

演示程序在初始化完成后，会尝试通过 mlockall 将所有已缓存内存锁定在 RAM 中，并阻止后续的动态内存分配，以避免因大量新内存加载到 RAM 而触发缺页中断。（更多细节请参见实时设计文章。）

出现上述提示后，演示照常继续。你还可能看到类似如下的输出，反映执行期间发生的缺页中断数量：

rttest statistics:
  - Minor pagefaults: 20
  - Major pagefaults: 0

如果要消除这些缺页中断，需要做以下调整……

调整内存锁定权限

在 /etc/security/limits.conf 中添加（使用 sudo）：

<your username>    -   memlock   <limit in kB>

限制设为 -1 表示无限制。选择无限制时，可能还需要在编辑文件后配合执行 ulimit -l unlimited（以 root 身份）。

保存文件后，注销并重新登录，然后重新运行 pendulum_demo。

输出中将显示零缺页中断，或者一条 bad_alloc 异常的错误信息。如果是后者，说明可用内存不足以将进程分配的内存全部锁定到 RAM——只有增加物理内存才能实现零缺页中断。

输出概览

要查看更多输出，需要先运行 pendulum_logger 节点。

在一个已 source install/setup.bash 的终端中，执行：

ros2 run pendulum_control pendulum_logger

你应该会看到输出消息：

Logger node initialized.

在另一个已 source 了 setup.bash 的终端中，再次运行 pendulum_demo。

该可执行文件启动后，前一个终端将不断打印输出：

Commanded motor angle: 1.570796
Actual motor angle: 1.570796
Mean latency: 210144.000000 ns
Min latency: 4805 ns
Max latency: 578137 ns
Minor pagefaults during execution: 0
Major pagefaults during execution: 0

该演示控制着一个简单的倒立摆仿真。倒立摆在独立线程中计算自身位置。一个 ROS 节点模拟摆的电机编码器并发布位置数据，另一个 ROS 节点充当简单的 PID 控制器，负责计算下一条控制指令。

logger 节点周期性地打印摆的状态以及演示在执行阶段的运行时性能统计。

pendulum_demo 运行结束后，按 Ctrl-C 退出 logger 节点。

延迟

pendulum_demo 执行期间，你将看到收集到的最终统计信息：

rttest statistics:
  - Minor pagefaults: 0
  - Major pagefaults: 0
  Latency (time after deadline was missed):
    - Min: 3354 ns
    - Max: 2752187 ns
    - Mean: 19871.8 ns
    - Standard deviation: 1.35819e+08

PendulumMotor received 985 messages
PendulumController received 987 messages

延迟字段以纳秒为单位展示更新循环的最小、最大和平均延迟。这里的延迟是指更新预期发生时刻之后的滞后时间。

实时系统的要求因应用而异。假设本演示的更新循环频率为 1kHz（1 毫秒），我们的目标是最大延迟不超过更新周期的 5%。

本次运行的平均延迟很理想，但最大延迟不可接受——它实际上已经超过了更新周期。原因何在？

这很可能是非确定性调度器造成的。如果运行的是普通 Linux 内核且未安装 RT_PREEMPT 补丁，就很难达到预期的实时目标，因为 Linux 调度器不允许在用户态任意抢占线程。

更多信息请参见实时设计文章。

演示会尝试将调度器和线程优先级设置为适合实时性能的值。如果操作失败，将看到错误信息：「Couldn’t set scheduling priority and policy: Operation not permitted」。按下一节的说明调整权限后可以获得更好的性能：

设置调度器权限

在 /etc/security/limits.conf 中添加（使用 sudo）：

<your username>    -   rtprio   98

rtprio（实时优先级）的取值范围是 0–99。但切勿将其设为 99，否则进程可能干扰以最高优先级运行的关键系统进程（例如看门狗）。本演示将尝试以优先级 98 运行控制循环。

绘制结果

演示运行结束后，可以绘制其中收集的延迟和缺页中断统计信息。

由于代码使用 rttest 进行插桩，因此支持以下命令行参数：

命令	描述	默认值
`-i`	指定实时循环运行的迭代次数	1000
`-u`	指定更新周期，默认单位为微秒。使用后缀 “s” 表示秒，“ms” 表示毫秒，“us” 表示微秒，“ns” 表示纳秒	1ms
`-f`	指定写入收集数据的文件名

使用文件名再次运行演示以保存结果：

ros2 run pendulum_control pendulum_demo -f pendulum_demo_results

然后对结果文件运行 rttest_plot 脚本：

$ ros2 run rttest rttest_plot pendulum_demo_results
Writing results to file: pendulum_demo_results
...

该脚本将生成以下文件：

pendulum_demo_results_plot_latency.svg
pendulum_demo_results_plot_latency_hist.svg
pendulum_demo_results_plot_majflts.svg
pendulum_demo_results_plot_minflts.svg

可以用任意图片查看器打开这些图表。