Xenomai Lab: a platform for digital real-time control

Abstract

Xenomai Lab is a free software suite that allows a user to graphically design control systems using block diagrams. The designed system can be executed in real-time with operating frequencies of up to 10KHz using the Xenomai framework. Execution can be merely a numerical simulation or an interaction with the real-world via input/output blocks. Several useful blocks are included in the default installation, such as an oscilloscope, a signal generator, MATLAB setpoint profile loader, and others. A rich set of documentation and examples is also provided. Development of Xenomai Lab was supported by a thorough study of real-time operating systems based on GNU/Linux. The performances of standard Linux, the PREEEMPT_RT patchset, RTAI and Xenomai were benchmarked using a standard test. This allowed for a direct comparison between them. Xenomai was found to have the ideal balance between performance and ease of use, with scheduling jitter bellow 35μs on a desktop computer. Ease of use was one of Xenomai Lab’s main goals. This distinguishes it from alternatives. Control algorithms are programmed in C and no prior knowledge of Xenomai, or real-time operating systems in general for that matter, is needed. This makes our system adequate for use by control engineers unfamiliar with GNU/Linux and by entry level students of control engineering, robotics, and other equally technical areas. Advanced users will feel right at home.

O Xenomai Lab é uma plataforma open-source que permite a um utilizador projectar gráficamente um sistema de controlo recorrendo a um diagrama de blocos. O sistema projectado pode ser executado em tempo-real a uma frequência de operação de até 10KHz pela framework de tempo-real Xenomai. Execução pode ser uma mera simulação numérica, ou uma interacção com o mundo real recorrendo a blocos de input e output. A instalação traz de origem vários blocos potencialmente úteis, como um osciloscópio, um gerador de sinais, interface com perfis de setpoint feitos em MATLAB, entre outros. É também incluída documentação e alguns exemplos ilustrativos. O desenvolvimento do Xenomai Lab teve por base uma pesquisa exaustiva de sistemas operativos de tempo-real baseados em GNU/Linux. As performances de Linux, do patch PREEEMPT_RT, do RTAI e do Xenomai foram medidas recorrendo a um mesmo teste. Desta forma, tornou-se possível fazer uma comparação directa entre as diferentes tecnologias. De acordo com os nossos testes, o Xenomai apresenta um balanço ideal entre performance e facilidade de utilização. O jitter de escalonamento esteve sempre abaixo de 35μs num computador de secretária. O Xenomai Lab foi desenvolvido de forma a ser fácil de utilizar. Esta é a característica chave que o distingue de software semelhante. Algoritmos de controlo são programados em linguagem C, não sendo necessário nenhum conhecimento específico de Xenomai ou mesmo de sistemas de tempo-real em geral. Assim, o Xenomai Lab é adequado para engenheiros da área de controlo sem experiência em GNU/Linux ou sistemas operativos de tempo-real ou mesmo estudantes de engenharia de controlo, robótica e outras áreas técnicas. Utilizadores avançados sentir-se-ão imediatamente em casa.