論文要約：PREEMPT_RT Linux を用いた Raspberry Pi 5 上の UAV 飛行制御ワークロードのスケジューリング分析

本論文は、現代の無人航空機（UAV）アーキテクチャにおいて、自律性（高レベル）と飛行制御（低レベル）を単一の汎用オペレーティングシステム（GPOS）上で統合する際の課題に焦点を当てています。特に、Raspberry Pi 5（ARM Cortex-A76 ベース）上で、標準 Linux カーネルとリアルタイムカーネル（PREEMPT_RT）のスケジューリング性能を比較分析し、250Hz の制御ループにおける決定性（Determinism）を評価したものです。

以下に、問題定義、手法、主な貢献、結果、および意義について詳細にまとめます。

1. 問題定義 (Problem)

• 統合アーキテクチャの必要性: UAV はサイズ・重量・電力（SWaP）制約により、高性能な「コンパニオンコンピュータ」と低電力のマイクロコントローラ（MCU）を分離する従来の二重プロセッサ構成から、単一の高性能 SoC でミッション論理と安全クリティカルな飛行制御システム（FCS）を処理する「統合アーキテクチャ」へ移行しています。
• 決定性の欠如: 自律性スタックには Linux などの GPOS が不可欠ですが、標準カーネルはスループット最適化されており、250Hz 以上の制御ループに必要な厳密なタイミング保証を提供しません。
• 現代 SoC の複雑さ: 従来のシングルボードコンピュータ（例：Raspberry Pi 3）とは異なり、Raspberry Pi 5 のような現代のマルチコア SoC（Cortex-A76）は、アウト・オブ・オーダー実行、深いキャッシュ階層、共有メモリコントローラを備えています。これにより、リソース競合（キャッシュ、DRAM バンド幅）が予期せぬタイミング遅延（ジッター）を引き起こすリスクが高まっています。
• 研究ギャップ: PREEMPT_RT の利点は理論的に知られていますが、現代の複雑な SoC 環境における、特に「遅延実行（SoftIRQ）」対「リアルタイム直接起動」の影響を定量化した研究は不足していました。

2. 手法 (Methodology)

• プラットフォーム: Raspberry Pi 5 (8GB RAM, BCM2712 SoC, Quad-core Cortex-A76)。
  • 熱スロットリングを防ぐためアクティブ冷却と CPU 周波数固定（2.4 GHz）を実施。
  • OS: Ubuntu 24.04 LTS。比較対象として、標準カーネル（6.8.0-raspi）と PREEMPT_RT カーネル（6.8.0-raspi-realtime）を使用。
• ワークロードモデル:
  • 制御ループ: 250Hz（周期 4ms）の姿勢制御ループ（Attitude Controller）をターゲットとした。
  • 隔離戦略: 制御タスクをコア 2 にピン留めし、他のコア（3）に低優先度タスク（ログ、位置制御など）を配置。isolcpus パラメータで SMP バランシングを無効化。
  • I/O の分離: 物理的な SPI 通信を回避し、シミュレーションブロックで状態変数を生成することで、I/O ドライバの遅延を排除し、スケジューラ自体の遅延のみを測定。
• 負荷テスト: stress-ng ツールを用いて、計算負荷（行列演算）、メモリ負荷（RAM 75% 使用によるキャッシュスラッシング）、カーネル負荷（コンテキストスイッチ）を同時に発生させ、過酷な条件下での性能を評価。
• 評価指標: 250Hz ループのスケジューリング遅延（レイテンシ）とジッター。10,000 回の反復実行を各設定（スケジューラポリシー、負荷あり/なし）で実施。

3. 主な貢献 (Key Contributions)

1. 定量的ベンチマーク: 現代のマルチコア SoC 上での 250Hz 制御ループのパフォーマンスを定量化し、スケジューラ動作とバス遅延を分離して分析。
2. アーキテクチャ的メカニズムの解明:
   • 標準カーネルにおける大規模な遅延スパイク（>9ms）の主な原因は、「遅延実行（SoftIRQ）」パスにあることを特定。
   • PREEMPT_RT の「直接起動（Direct Activation）」パスが、この遅延を約 88% 削減（1.84ms から 225µs 未満へ）することを示した。
3. 残存ジッターの要因特定: PREEMPT_RT がスケジューリング遅延を抑制しても、現代 SoC において残存するジッター（200〜225µs）の主な原因は、ハードウェアレベルのメモリ競合（L3 キャッシュと DRAM バンド幅）であることを実証。

4. 結果 (Results)

• 標準カーネルの限界:
  • 標準カーネルでは、負荷下で最悪ケース遅延が 9,426 µs に達し、4ms の制御周期を大幅に超過。
  • 高優先度のリアルタイムポリシー（SCHED_FIFO, SCHED_RR）でも、負荷下では最大 1,848 µs のスパイクが発生し、飛行安定性を脅かすレベルであった。
  • 原因分析: 標準カーネルでは、タイマ割り込みが ktimers スレッド（SoftIRQ）を経由してタスクを起動するため、コンテキストスイッチの増加とキャッシュ汚染が発生し、タスク実行時間が約 13 倍（3.8µs → 51µs）に増加した。
• PREEMPT_RT の性能:
  • PREEMPT_RT カーネルでは、すべてのリアルタイムポリシー（SCHED_FIFO, SCHED_RR, SCHED_DEADLINE）において、最悪ケース遅延が 225 µs 以下 に抑制された。
  • 遅延は制御周期の約 5.6% にとどまり、飛行制御の安定に必要なフェーズマージンを維持可能。
  • 起動パスが割り込みハンドラから直接タスクへとなるため、SoftIRQ による遅延が解消された。
• MCU との比較:
  • 従来の RTOS 搭載 MCU（例：STM32F7）のジッター（10-20µs）と比較すると、PREEMPT_RT は約 10 倍のジッターを持つ。
  • しかし、250Hz 制御（周期 4ms）という文脈では、225µs のジッターは許容範囲内であり、統合アーキテクチャの可行性が確認された。

5. 意義と結論 (Significance & Conclusion)

• 統合 UAV アーキテクチャの可行性: 本論文は、適切に設定された PREEMPT_RT Linux を用いれば、単一ボード上で安全クリティカルな飛行制御と高負荷な自律タスク（SLAM、コンピュータビジョンなど）を統合できることを実証した。これは、二重プロセッサ構成の重量や配線複雑さを削減する有力な解決策である。
• ハードウェア制約の明確化: ソフトウェア（カーネル）によるスケジューリング遅延は解決可能だが、現代 SoC における残存ジッターはハードウェアのメモリ階層（キャッシュ競合）に起因する。したがって、MCU 並みの微秒単位の決定性を求める場合、カーネルパッチだけでなく、キャッシュカラーリングなどのハードウェアレベルの空間分離が必要である。
• 将来の展望: 本研究は I/O 遅延を意図的に排除したが、実際の UAV 実装では、I/O ドライバの非決定性（スピンのロック等）がボトルネックとなる可能性がある。今後は、ユーザー空間 I/O や DMA ベースの転送メカニズムの導入、および MPC（モデル予測制御）など計算集約的な制御アルゴリズムへの適用、電力消費とのトレードオフ分析が求められる。

総括:
Raspberry Pi 5 上の PREEMPT_RT は、250Hz の UAV 飛行制御ループに対して、標準カーネルでは不可能なレベルの決定性を提供します。これにより、UAV の「自律性」と「制御」を単一プラットフォームで実現するアーキテクチャが、多くの応用において実用的な選択肢となることが示されました。