실시간 시스템에서의 생명주기 노드 적용 사례

생명주기 노드 개념

생명주기 노드는 상태 기반 노드 관리가 가능한 ROS2의 확장 기능으로, 상태 전환을 통해 노드를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다. 생명주기 노드의 각 상태는 unconfigured, inactive, active, finalized 등의 상태로 구분되며, 각 상태는 고유의 동작을 가지며, 특정 상태에서만 노드가 활성화되어 실시간 작업을 처리할 수 있다.

실시간 시스템에서의 요구사항

실시간 시스템은 지연을 최소화하고 일정한 주기로 데이터를 처리해야 하는 특성을 가지고 있다. 이러한 환경에서는 노드의 상태 전환과 작업 주기를 철저히 관리해야 하며, 특히, 비활성화된 상태에서 활성화된 상태로의 전환이 신속하고 정확하게 이루어져야 한다. 생명주기 노드를 활용하여 실시간 시스템에서의 제어 흐름을 효율적으로 구성할 수 있다.

상태 전환과 실시간 시스템

생명주기 노드는 상태 간 전환이 명시적으로 이루어진다. 예를 들어, inactive 상태에서 active 상태로 전환하는 과정에서 실시간 제어 루프가 활성화된다. 이를 수학적으로 표현하면, 시스템의 상태 전환을 아래와 같이 나타낼 수 있다.

$\mathbf{x}(t) = f(\mathbf{x}_{prev}, \mathbf{u}(t))$

여기서:

$\mathbf{x}(t)$ 는 현재 상태 벡터,
$\mathbf{x}_{prev}$ 는 이전 상태 벡터,
$\mathbf{u}(t)$ 는 입력 벡터로서 시간에 따른 제어 입력이다.

이 공식은 노드가 비활성화 상태에서 활성화 상태로 전환될 때의 상태 변화를 의미하며, 실시간 시스템에서는 이러한 전환이 일정한 시간 내에 이루어져야 한다.

주기적 작업의 실시간 처리

실시간 시스템에서는 주기적으로 수행해야 하는 작업들이 있다. 생명주기 노드의 active 상태에서 이러한 주기적 작업이 실행되며, 이는 ROS2의 타이머 기능과 결합하여 주기적인 작업 스케줄을 관리한다. 예를 들어, $T_s$ 주기로 데이터를 처리하는 경우, 다음과 같은 타이머 함수가 생성된다.

this->timer_ = this->create_wall_timer(
  std::chrono::milliseconds(T_s), 
  std::bind(&NodeClass::timer_callback, this));

여기서 타이머의 주기 $T_s$ 는 시스템이 요구하는 실시간 제어 주기에 맞춰 설정된다. 이 값은 주기적 작업을 수행하기 위한 기준으로, 실시간성을 보장하기 위해서는 지연 없이 정확한 주기로 실행되어야 한다.

생명주기 노드와 스레드 관리

실시간 시스템에서의 스레드 관리 역시 중요한 요소다. 생명주기 노드는 ROS2의 멀티스레딩 환경에서 안정적으로 실행될 수 있다. 특히, 노드가 inactive 상태일 때는 모든 스레드를 중지하고, active 상태에서만 스레드가 활성화되어 데이터를 처리한다. 이와 같은 상태 기반 스레드 관리 방식은 실시간 시스템에서 불필요한 자원 소모를 줄이는 데 기여한다.

활성화/비활성화 상태 전환의 실시간 적용

실시간 시스템에서의 생명주기 노드는 활성화와 비활성화 상태 전환 시 매우 중요한 동작을 수행한다. 예를 들어, inactive 상태에서 active 상태로 전환하는 동안 필요한 초기화 작업이 실시간으로 이루어져야 하며, 지연 시간이 발생하지 않도록 해야 한다. 이를 수식적으로 표현하면, 상태 전환의 지연을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

$t_{\text{delay}} = t_{\text{activate}} - t_{\text{request}}$

여기서:

$t_{\text{delay}}$ 는 상태 전환 지연 시간,
$t_{\text{activate}}$ 는 활성화 상태에 도달한 시간,
$t_{\text{request}}$ 는 활성화 상태 요청이 발생한 시간이다.

실시간 시스템에서는 이 지연 시간이 가능한 한 작아야 한다. 따라서 시스템은 상태 전환 시점을 정확하게 관리하고, 필요하다면 상태 전환을 위한 작업을 우선적으로 처리하여 실시간성을 유지해야 한다.

실시간 생명주기 노드의 데이터 흐름 관리

실시간 시스템에서는 노드 간 데이터 흐름 역시 중요하다. 생명주기 노드를 사용하면 노드가 active 상태에 있을 때만 데이터를 송수신할 수 있다. 이는 불필요한 데이터 전송을 막고, 실시간 데이터를 안정적으로 처리하는 데 기여한다. 노드가 active 상태일 때만 데이터를 처리하는 알고리즘은 다음과 같다.

$\mathbf{y}(t) = h(\mathbf{x}(t), \mathbf{u}(t))$

여기서:

$\mathbf{y}(t)$ 는 출력 벡터,
$h(\mathbf{x}(t), \mathbf{u}(t))$ 는 상태 벡터와 입력 벡터의 함수이다.

출력 $\mathbf{y}(t)$ 는 노드가 활성화된 동안에만 발생하며, 이는 실시간 제어 루프에서 필수적이다. 비활성화 상태에서는 출력이 발생하지 않아, 불필요한 리소스 사용을 줄인다.

생명주기 노드와 실시간 QoS 설정

실시간 시스템에서 QoS(품질 서비스) 정책은 데이터의 신뢰성과 지연을 관리하는 중요한 요소다. 생명주기 노드에서는 active 상태일 때 QoS 설정을 활용하여 데이터를 주기적으로 전달하거나 신속하게 수신할 수 있다. QoS 정책은 다음과 같은 파라미터로 구성된다.

신뢰성: Reliable 또는 Best Effort
내구성: Volatile 또는 Transient Local
이중성: Reliable한 데이터 전달을 위한 중복 메시지 처리

실시간 시스템에서는 일반적으로 Reliable 모드를 사용하여 데이터의 손실 없이 정확한 전달을 보장하고, Volatile 모드를 통해 가장 최신 데이터만을 처리한다. 이를 통해 실시간 데이터를 손실 없이 빠르게 처리할 수 있다.

상태 전환 이벤트 처리

생명주기 노드는 상태 전환 시 이벤트를 발생시켜, 실시간 시스템 내에서 특정 작업을 트리거할 수 있다. 예를 들어, 노드가 inactive에서 active 상태로 전환될 때, 실시간 제어 루프를 시작하는 이벤트를 발생시킬 수 있다. 이 과정은 코드에서 다음과 같이 처리된다.

on_activate()
{
  // 상태 전환 시 트리거되는 이벤트
  start_real_time_loop();
}

이처럼 실시간 시스템에서 상태 전환 이벤트는 노드의 주요 작업 흐름을 제어하는 데 사용되며, 이벤트 기반 처리를 통해 지연 없이 작업을 시작할 수 있다.