Robotické operační systémy

Robotické operační systémy představují základní softwarovou vrstvu, která umožňuje řízení robotů a jejich komplexních funkcí. Tyto systémy lze rozdělit do několika kategorií podle jejich nasazení, architektury a hardwarových požadavků.

Hlavní kategorie robotických operačních systémů

ROS (Robot Operating System) a ROS 2

Robot Operating System není klasický operační systém v tradičním slova smyslu, ale robustní middleware framework běžící nad standardním operačním systémem, typicky nad Linuxem Ubuntu. ROS byl vyvinut v roce 2007 organizací Open Robotics a stal se de facto standardem v robotickém průmyslu.^{1 2 3}

Hlavní charakteristiky ROS:

• Poskytuje abstrakci hardwaru, nízkoúrovňové ovládání zařízení a implementaci běžně používaných funkcionalit¹
• Využívá grafovou architekturu, kde zpracování probíhá v uzlech (nodes), které mohou přijímat, odesílat a multiplexovat senzorická data¹
• ROS sám o sobě není RTOS (real-time operating system), ačkoliv je možné ho integrovat s real-time kódem¹
• Podporuje více programovacích jazyků včetně Pythonu a C++⁴
• Obsahuje rozsáhlý ekosystém s tisíci balíčky a knihovnami⁴

ROS 2 - nová generace: ROS 2 představuje kompletní přepis architektury s důrazem na průmyslové nasazení. Hlavní vylepšení zahrnují:^{5 6}

• Podporu real-time aplikací
• Vylepšené bezpečnostní mechanismy (autentizace a šifrování)⁶
• Multiplatformní kompatibilitu (Linux, Windows, macOS)⁶
• Data Distribution Service (DDS) middleware pro robustnější komunikaci^{7 6}
• Lepší škálovatelnost a výkon⁶

Minimální hardwarové požadavky:

• Pro ROS 2 Humble: Raspberry Pi 4B s minimálně 2 GB RAM (doporučeno 4-8 GB)⁸
• Pro ROS 2 Iron: Funkční na Raspberry Pi 3 B+, ačkoliv s omezeným výkonem⁹
• Procesor: Vícejadrový ARM nebo x86 procesor
• Úložiště: Minimálně 32 GB (doporučeno pro úplnou instalaci)⁸
• Pro simulace a vizualizaci se doporučuje výkonné GPU^{10 11}

Embedded Linux pro robotiku

Embedded Linux představuje vysoce přizpůsobitelnou platformu pro robotické aplikace. Využívá se především tam, kde je potřeba flexibilita a široká podpora síťových funkcí.^{12 13}

Yocto Project: Yocto Project je open-source framework pro vytváření vlastních Linux distribucí pro embedded zařízení. Poskytuje nástroje jako OpenEmbedded build systém, BitBake a Poky referenční distribuci.^{14 15 16}

Využití v robotice:

• Umožňuje vytvářet optimalizované operační systémy přesně podle potřeb robota¹⁴
• Podporuje ROS 2 Humble a další robotické frameworky¹⁴
• Široká podpora pro různé hardwarové architektury¹⁶

Minimální požadavky pro Embedded Linux:

• RAM: Od 64 MB (základní systémy) do 512 MB+ (komplexní aplikace)¹³
• Flash/ROM: 32 MB až několik GB podle konfigurace¹³
• Procesor: ARM Cortex-A/M, x86, MIPS, PowerPC¹²

Real-Time Operating Systems (RTOS)

RTOS jsou specializované operační systémy navržené pro aplikace s přísnými časovými požadavky. V robotice se používají tam, kde je kritická deterministická odezva systému.^{17 18}

FreeRTOS

FreeRTOS je nejpopulárnější open-source RTOS s minimální paměťovou stopou.¹⁹²⁰

Vlastnosti:

• Preemptivní multitasking s podporou kooperativního plánování²¹
• Podpora pro 8-bitové, 16-bitové i 32-bitové mikrokontroléry²²
• Využití v IoT zařízeních a robotických projektech^{23 20}

Hardwarové požadavky:

• ROM: 4-12 kB pro samotné jádro^{24 21}
• RAM: 250 bajtů + 400 bajtů/úloha²¹
• Minimálně 8 kB RAM pro jednoduché aplikace^{25 26}

VxWorks

VxWorks je komerční hard real-time operační systém od Wind River Systems.²⁷²⁸

Využití:

• Kosmické mise (Mars Rovers, James Webb Space Telescope)²⁸
• Průmyslová robotika a automatizace^{29 30}
• Chirurgické roboty (Saroa Surgical System)³⁰
• Letecká technika (Boeing 787)²⁸

Podporované platformy:

• ARM, x86, PowerPC, RISC-V²⁸
• Asymetrické (AMP) i symetrické (SMP) multiprocessing²⁸

Hardwarové požadavky:

• Minimálně 200 kB paměti³¹
• Procesory s MMU (Memory Management Unit)³²

Zephyr RTOS

Zephyr je open-source RTOS vyvinutý Linux Foundation s důrazem na malou paměťovou stopu.^{33 31}

Vlastnosti:

• Modulární a škálovatelný design³³
• Podpora přes 600 desek napříč různými CPU architekturami³³
• Zabudované bezpečnostní mechanismy³³
• Podpora Wi-Fi, Ethernet, Bluetooth, LoRaWAN³³

Hardwarové požadavky:

• Minimálně 8 kB paměti^{34 31}
• Reference ROM: 2-3 kB pro minimální konfiguraci³⁴
• Procesory: ARM Cortex-M, ARC, RISC-V, x86, Xtensa³³

RTEMS (Real-Time Executive for Multiprocessor Systems)

RTEMS je open-source RTOS používaný v kosmických misích a kritických aplikacích.^{35 36}

Využití:

• NASA mise: Mars Rover, Parker Solar Probe, Juno^{37 38}
• ESA mise: Galileo GPS satelity, ExoMars³⁸
• Průmyslová automatizace a bankovnictví³⁹

Vlastnosti:

• POSIX-compliant^{35 37}
• Podpora pro 18 procesorových architektur^{36 37}
• Symetrický multiprocessing (SMP)^{39 37}

Podporované architektury:

• ARM, PowerPC, Intel x86, SPARC, RISC-V, MIPS^{37 35}

Hardwarové požadavky:

• Minimálně 50 kB paměti³⁹
• 16-bitové až 64-bitové procesory³⁹

QNX Neutrino RTOS

QNX je komerční mikrokernel RTOS od BlackBerry.^{40 32}

Vlastnosti:

• Mikrokernelová architektura pro vysokou spolehlivost³²
• Hard real-time výkon³²
• Certifikace pro bezpečnostně kritické aplikace (IEC 61508 SIL 3)⁴¹

Využití v robotice:

• Průmyslová automatizace⁴¹
• Autonomní roboty^{41 32}
• Zemědělské systémy⁴¹

Hardwarové požadavky:

• Procesory x86 nebo ARMv8/ARMv9³²
• Menší paměťová stopa než Linux díky menšímu kernelu³²

ThreadX (Eclipse ThreadX)

ThreadX, dříve Azure RTOS, je nyní open-source RTOS pod správou Eclipse Foundation.^{42 43}

Vlastnosti:

• Deterministický výkon s minimální latencí⁴²
• Malá paměťová stopa⁴²
• Podpora SMP a AMP⁴²
• Nasazen na více než 12 miliardách zařízení^{43 44}

Aplikace:

• IoT zařízení⁴⁴
• Průmyslové systémy⁴²
• Medicínské přístroje⁴²

NuttX

NuttX je POSIX-compliant RTOS s důrazem na standardy.^{45 46}

Vlastnosti:

• Škálovatelný od 8-bit do 64-bit architektur^{46 45}
• Virtuální souborový systém (VFS)⁴⁶
• Podpora pro loadable kernel modules⁴⁶
• Real-time plánování (FIFO, RR, SPORADIC)⁴⁶

Podporované platformy:

• ARM, AVR, MIPS, RISC-V, x86, Xtensa⁴⁶

Hardwarové požadavky:

• Minimálně 32 kB Flash, 8 kB RAM⁴⁷
• Pro pokročilé funkce (USB, Ethernet, IPv6) je lepší použít MCU s alespoň 128 kB Flash⁴⁷

RIOT OS

RIOT je open-source operační systém pro IoT a embedded zařízení s důrazem na nízkou spotřebu.^{48 49}

Vlastnosti:

• Mikrokernelová architektura⁴⁹
• Plná podpora multithreadingu a real-time schopnosti⁴⁹
• Podporuje programování v C, C++ a Rust^{48 22}
• Částečná POSIX kompatibilita^{22 49}

Hardwarové požadavky:

• 8-bitové, 16-bitové a 32-bitové mikrokontroléry^{22 49}
• Podporuje přes 200 desek (AVR, MSP430, ESP8266, ESP32, ARM Cortex-M)²²

Contiki a Contiki-NG

Contiki je operační systém navržený pro zařízení s výrazně omezenými zdroji.^{50 51}

Vlastnosti:

• Zabudovaný TCP/IP stack⁵⁰
• Podpora IPv6 a 6LoWPAN⁵⁰
• Protothread mechanismus pro efektivní multitasking⁵¹

Hardwarové požadavky:

• RAM: 10 kB⁵⁰
• ROM: 30 kB⁵⁰
• S GUI: přibližně 30 kB RAM⁵⁰

Mbed OS

Mbed OS je open-source operační systém od ARM pro IoT zařízení.^{52 53}

Vlastnosti:

• RTOS jádro založené na CMSIS-RTOS RTX⁵²
• Vícevrstvé zabezpečení včetně Mbed TLS⁵²
• Podpora Bluetooth LE, 6LoWPAN, Ethernet, Wi-Fi⁵²
• Licence Apache 2.0⁵²

Hardwarové požadavky:

• ARM Cortex-M mikrokontroléry^{53 52}
• USB drag-and-drop programování⁵²

micro-ROS

micro-ROS je specializovaná implementace ROS 2 pro mikrokontroléry.^{54 55}

Vlastnosti:

• Plná podpora ROS 2 komunikačních paradigmat⁵⁶
• Zero dynamic memory usage možnost pro hard real-time aplikace⁵⁶
• Transport agnostický⁵⁶

Hardwarové požadavky:

• Minimálně 32 kB RAM^{54 56}
• 32-bitové architektury⁵⁶
• Příklady podporovaných platforem:⁵⁴
  • ESP32: 520 kB RAM, 4 MB Flash
  • Raspberry Pi Pico RP2040: 264 kB RAM
  • STM32F746: 320 kB RAM, 1024 kB Flash
  • Renesas EK RA6M5: 512 kB RAM, 2 MB Flash

Spotřeba paměti:

• Publisher aplikace: ~400 B celkové paměti⁵⁷
• Subscriber aplikace: ~8700 B celkové paměti (s defaultním nastavením)⁵⁷
• Client/service aplikace: ~8800 B celkové paměti⁵⁷
• Stack lze redukovat na přibližně 2 kB⁵⁸

Operační systémy pro vyšší výpočetní výkon

Ubuntu pro robotiku

Ubuntu je nejpoužívanější operační systém pro vývoj robotických aplikací.^{59 60}

Ubuntu Core:

• Optimalizovaná verze Ubuntu pro edge zařízení a IoT⁶⁰
• Kontejnerizované Snap balíčky⁶⁰
• Transaktní over-the-air aktualizace⁶⁰
• Pokročilé bezpečnostní funkce (secure boot, strict confinement)⁶⁰

Výhody pro robotiku:

• Nejlepší podpora ROS a ROS 2^{61 59}
• Široká komunita vývojářů⁵⁹
• Pravidelné aktualizace a dlouhodobá podpora LTS verzí⁵⁹

Hardwarové požadavky:

• Minimálně 2 GB RAM (doporučeno 4-8 GB)⁸
• Procesor: ARM nebo x86/x64⁶⁰
• Úložiště: Minimálně 8 GB pro základní systém⁶⁰

Android pro robotiku

Android se používá pro řízení robotů přes mobilní zařízení nebo jako OS pro interaktivní roboty.^{62 63}

Využití:

• Dálkové ovládání robotů přes Bluetooth nebo Wi-Fi^{64 62}
• Interaktivní sociální roboty (např. Pepper robot)⁶⁵
• Senzorická data z mobilních zařízení pro roboty⁶³

Android Things:

• Verze Androidu navržená speciálně pro IoT zařízení⁶⁶
• Podpora pro smart speakers a připojené spotřebiče⁶⁶

Windows IoT

Windows IoT je rodina operačních systémů Microsoftu pro embedded systémy.^{67 68}

Windows 10 IoT Core:

• Odlehčená verze Windows 10 pro malá zařízení⁶⁷
• Podpora pro x86, x64, ARM32, ARM64⁶⁷
• Využití v kiosках, testovacím vybavení a robotice⁶⁷

Windows 10 IoT Enterprise:

• Plná verze Windows 10 pro průmyslové aplikace^{68 69}
• Long-Term Servicing Channel (LTSC) pro stabilitu⁶⁹
• Podpora pro Robot Operating System (ROS)⁶⁹

Hardwarové požadavky:

• IoT Core: Raspberry Pi 3/4, MinnowBoard MAX⁶⁷
• IoT Enterprise: Standardní PC hardware⁶⁹

Srovnání hlavních charakteristik

Real-time schopnosti

Hard real-time:

• VxWorks²⁸
• RTEMS³⁵
• QNX⁴⁰³²
• Zephyr¹⁸

Soft real-time:

• FreeRTOS¹⁹
• ThreadX⁴²
• NuttX⁴⁶

Non real-time:

• ROS (běžící nad Linuxem)¹
• Ubuntu⁵⁹
• Android⁶²

Licence

Open-source:

• ROS/ROS 2: Apache 2.0, BSD⁶
• FreeRTOS: MIT¹⁹
• Zephyr: Apache 2.0³¹
• RTEMS: GPL³⁸
• RIOT: LGPL^{48 49}
• NuttX: BSD⁴⁷
• Mbed OS: Apache 2.0⁵²
• Eclipse ThreadX: Permissive open-source⁴³

Komerční:

• VxWorks: Proprietární²⁸
• QNX: Komerční licence⁴⁰

Výběr vhodného operačního systému

Při výběru robotického operačního systému je třeba zvážit následující faktory:

Pro výzkum a prototypování:

• ROS 2 na Ubuntu poskytuje nejlepší ekosystém nástrojů a knihoven^{2 59}
• Snadný přístup k simulačním nástrojům jako Gazebo^{3 70}
• Široká komunita a dokumentace²

Pro průmyslové nasazení:

• VxWorks nebo QNX pro kritické aplikace^{30 32}
• ROS 2 s real-time rozšířeními pro menší kritičnost^{5 6}
• Ubuntu Core pro OTA aktualizace a správu flotily⁶⁰

Pro embedded systémy s omezenými zdroji:

• FreeRTOS pro jednoduché aplikace¹⁹
• Zephyr pro IoT zařízení s bezpečnostními požadavky³³
• micro-ROS pro integraci s ROS 2 ekosystémem^{54 56}

Pro výukové účely:

• Ubuntu s ROS 2^{71 59}
• Arduino platformy pro začátečníky⁴
• Mbed OS pro ARM-based projekty⁵²

Budoucnost robotických operačních systémů

Vývoj směřuje k:

• Lepší integraci AI a strojového učení do robotických platforem⁵⁹
• Vylepšené bezpečnostní mechanismy pro připojené roboty^{6 33}
• Standardizace komunikačních protokolů (DDS)^{7 6}
• Edge computing a cloudové integrace^{72 32}
• Hardwarová akcelerace pro zpracování obrazu a AI inferenci¹⁴

Robotické operační systémy se neustále vyvíjejí a nabízejí stále širší možnosti pro různé aplikace – od jednoduchých embedded systémů s několika kilobajty paměti až po komplexní autonomní systémy s multiprocesorovými platformami a gigabajty RAM.