실시간 임베디드 리눅스를 이용한 제어 플랫폼 및 모바일 로봇 구현 = Implementation of a control system platform and a mobile robot using Real-Time Embedded Linux

국문 초록 (Abstract)

최근 임베디드 시스템이 소형화, 저전력화, 고성능화되면서 다양한 주변장치들이 하나의 칩으로 만들어진 SoC를 이용한 시스템이 주류를 이루고 있다. SoC는 다양한 개발의 이점을 제공하지만 복잡한 구조와 기능으로 인해 운영체제 없이 개발하기에는 한계가 있다. 이러한 이유로 임베디드 운영체제의 필요성이 대두되고 있다. 임베디드 시스템에는 임베디드 운영체제외에 실시간 운영체제가 사용되고 있다. 실시간 운영체제는 시간 제약을 만족하는 운영체제로 군사장비 분야에서 많이 사용되고 있으나, 현재는 로봇, 자동화 시스템 분야에도 사용되는 추세이다. 그러나 실시간 운영체제는 대부분이 상용이기 때문에 기술 종속적으로 될 수 있으며, 개발비용이 많이 들고 개발의 유연성이 떨어지는 단점이 있다.
본 논문에서는 SoC 기반의 시스템보드에 실시간 임베디드 리눅스를 적용하여 제어시스템을 위한 플랫폼을 구현한다. SoC로는 최근 정보기기 및 제어기기에서 가장 많이 사용되는 SoC 중 하나인 PXA255를 사용하며, 실시간 임베디드 리눅스로는 RTAI를 이용한다. RTAI는 오픈소스이며, 로얄티가 없는 운영체제이다. 시스템 구현을 위해 부트로더를 적용하고, 리눅스 커널에서 하드웨어 의존적인 코드들을 수정한다. 그리고 사용하는 디바이스을 위한 드라이버와 실시간 디바이스 드라이버를 작성하고 최종적으로 파일시스템을 구축한다. 구현된 제어시스템플랫폼의 유용성을 검증하기 위해 모바일로봇에 적용한 후, 실시간 타스크와 비실시간 프로세스간의 차이점을 비교, 분석한다. 실험의 결과로 SoC 기반의 시스템보드와 오픈 소스 실시간 운영체제가 제어시스템플랫폼에 있어서 효과적인 방법임을 보인다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The SoC and digital technology development recently enabled the emergence of information devices and control devices because the SoC present many advantages such like lower power consumption, greater reliability, and lower cost. However, it is nearly impossible to use a SoC without a operating system because the SoC is included with many peripherals and complex architecture. It is required to use an embedded operating system on the SoC, also a Real-Time operating system may used as an embedded operating system for building control systems. So far, the real-time operating system is widely used to implement a real-time system since it meets developer's requirements. However, disadvantages of real-time operating systems include a lack of standards, expensive development, and license costs that become critical since the embedded Linux is available in embedded systems design; embedded Linux is able to overcome their disadvantages.
In this paper, the implementation of control system platform and a mobile robot using Real-Time Embedded Linux is described. As a control system platform, we use XScale of a SoC. The Real-Time Embedded Linux, RTAI, is open source and royalty free, and supports various architectures and Real-Time Devices, such like Real-Time CAN, Real-Time Networking for Linux, Real-Time COM. The RATI implements some POSIX. This paper shows the implementation of RTAI on SoC and describes the porting sequence of it. We apply a control system platform to the mobile robot and compared the Real-Time serial driver with Non-Real-Time serial driver. Experimental results show that using RTAI is able to build Real-Time control system with powerful functionalities of Linux.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅳ
• 감사의 글 = ⅰ
• (국문요약) = ⅱ
• 그림 목차 = ⅵ
• 1. 서론 = 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 = 1
• 1.2 연구 내용 및 구성 = 1
• 2. 실시간 운영체제와 RTAI = 3
• 3. 실시간 임베디드 리눅스 포팅 및 RTAI 설치 = 5
• 3.1 개발환경 및 부트로더 = 5
• 3.2 실시간 임베디드 리눅스 포팅 = 8
• 3.3 파일 시스템 구축 = 11
• 3.4 디바이스 드라이버 작성 = 12
• 3.5 RTAI 설치 및 테스트 = 14
• 4. 실시간 시리얼 드라이버 = 17
• 4.1 실시간 시리얼 드라이버의 구조 = 17
• 4.2 실시간 시리얼 드라이버 작성 = 19
• 4.3 실시간 시리얼 드라이버와 비실시간 시리얼 드라이버 비교 = 20
• 5. 모바일 로봇 구현 = 23
• 5.1 모바일 로봇의 구조 = 23
• 5.2 프로그램 구현 = 24
• 6. 결론 = 31
• 참고문헌 = 32
• (Abstract) = 34
• 부록 = 36