リアルタイムなロボットAI基盤：推論・制御・通信の実行予算を設計する

Sun, 14 Jun 2026 01:15:54 +0900

AI推論のベンチマーク値だけで、ロボット全体のリアルタイム性を判断できるのかが気になるテーマです。

先に結論

ロボットのAI処理に、制御30%、推論50%といった普遍的な固定比率はありません。先に制御ループの期限を予約し、センサー入力、アクチュエータ出力、ROS 2通信、スケジューリング干渉、安全余裕を見積もります。その残りをAIに割り当てるのではなく、AIにも独立した周期と期限を設定し、制御が推論の完了を同期的に待たない構成にするのが基本です。

判断には平均推論時間ではなく、前処理、メモリ転送、GPU実行、同期、後処理、ROS 2メッセージ処理まで含むエンドツーエンドのp99.9、最大値、ジッター、期限超過率を使います。AIが期限に間に合わない場合は、直近の有効な結果を使うか、安全なフォールバックへ切り替えます。

なぜ実行予算が必要か

ロボットでは、平均的に速い処理より、まれな期限超過をどう扱うかが重要です。AIが通常は短時間で完了しても、CPUやGPU、メモリ帯域、ドライバ、ログ処理などの競合で一部の周期が遅れれば、制御の決定性は崩れます。実行予算は、周期や締切の中で各処理が使える時間を明示するための枠組みです。

ハードリアルタイム経路では、処理時間の上限を見積もり、動的メモリ割り当て、ページフォールト、無制限に待つロック、非リアルタイムなシステムコールを避けます。これらは平均値には表れにくい遅延要因です。

前提となる仕組み

ROS 2のExecutorは、待機集合から実行可能なサブスクリプション、タイマー、サービス、アクションなどを取り出してコールバックを実行します。SingleThreadedExecutorは単一スレッド、MultiThreadedExecutorは複数スレッドを使います。ただし、一般的なExecutorはハードな優先度順やFIFO実行を保証しません。

Callback Groupには、同時実行を制限するMutually Exclusiveと、同時実行を許すReentrantがあります。これはコールバック間の関係を制御しますが、設定だけで締切やリアルタイム性が保証されるわけではありません。

QoSにはReliability、History、Deadline、Lifespan、Livelinessなどがあります。通信の信頼性、キュー保持、更新期限、データ鮮度を設計できますが、QoSのDeadlineはデータ更新を監視する機能であり、Executorのコールバック開始時刻や処理完了時刻を保証するものではありません。

予算の分け方

まず制御周期を定め、次の順で予算を予約します。

制御計算、センサー入力、アクチュエータ出力
リアルタイム通信処理
スケジューリングや共有資源による干渉
安全・ジッター余裕
AIの前処理、推論、後処理

AIを制御周期の「残り時間」に詰め込むと、推論遅延が制御期限を直接圧迫します。制御スレッドまたはリアルタイム向けExecutorはAIの結果を待たず、利用可能な結果の鮮度を確認して使う構成にします。AIの前処理やROS 2通信は別の実行資源に分け、GPU推論は可能な範囲で非同期に投入します。

設計上の仮置きとして、100 Hz、10 ms周期なら、制御とI/Oを2 ms、ROS 2通信処理を1 ms、AIのエンドツーエンド処理を6 ms、安全・ジッター余裕を1 msと置けます。ただし、これは標準値でも推奨値でもありません。対象のCPU、GPU、モデル、I/O、ROS 2構成を測定して再設定する必要があります。

flowchart LR
  subgraph CYCLE["100 Hz・10 ms周期の仮置き例"]
    CTRL["制御・I/O\n2 ms"] --> COMM["ROS 2通信処理\n1 ms"]
    COMM --> AI["AIエンドツーエンド処理\n6 ms"]
    AI --> MARGIN["安全・ジッター余裕\n1 ms"]
  end
  SENSOR["センサー入力"] --> CTRL
  AI -->|"期限内に取得"| FRESH["鮮度を確認して\n制御で利用"]
  AI -->|"期限超過"| FALLBACK["直近の有効値\nまたは安全なフォールバック"]
  FRESH --> ACT["アクチュエータ出力"]
  FALLBACK --> ACT
  CTRL -.->|"AIの完了を同期的に待たない"| FRESH

制御とI/O、通信、安全余裕を先に確保し、AIを独立した期限で実行する予算設計の仮置き例。2・1・6・1 msは推奨標準値ではなく、対象ハードウェアでの計測後に再設定する。

何を測るべきか