自適應(yīng)計算在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用：如何借助ROS 2實現(xiàn)基于FPGA的軟件定義硬件

作者： Víctor Mayoral-Vilches 和 Giulio Corradi，賽靈思公司

序言

2021年 4 月， 賽靈思創(chuàng)新性地推出自適應(yīng)系統(tǒng)模塊（SOM）產(chǎn)品組合　Kria SOM。作為一種量產(chǎn)型小尺寸嵌入式板卡，該平臺經(jīng)濟實惠、開箱即用，最主要是賽里思通過工具創(chuàng)新，借助SOM賦能上百萬軟件開發(fā)者，使其可以獲益于賽靈思自適應(yīng)計算平臺的高性能和靈活性優(yōu)勢，而且可以使其將應(yīng)用部署時間縮短多達 9 個月。

“一石激起千層浪”， Kria　的出現(xiàn)，在其所面向的廣泛的邊緣應(yīng)用領(lǐng)域引起積極的反響，而機器人應(yīng)用就是其中之一。

傳統(tǒng)的機器人軟件開發(fā)，是基于預(yù)定義的架構(gòu)和約束條件在給定機器人 CPU 中進行功能編程。然而采用自適應(yīng)計算后，構(gòu)建機器人行為則是在進行架構(gòu)編程。通過采用自適應(yīng)計算，機器人專家能在運行中適配機器人計算系統(tǒng)的一個或多個屬性（如它的確定性、功耗、安全態(tài)勢或吞吐量）。

然而，機器人專家并不是硬件工程師，他們普遍缺乏與嵌入式技術(shù)相關(guān)的專業(yè)知識。本文將從當(dāng)今熱門的?。⒆赃m應(yīng)機器人＂概念入手，從 ROS 2 機器人專家的視角介紹自適應(yīng)計算，并提出一種能夠讓 FPGA 在 ROS 2 生態(tài)系統(tǒng)中起主要作用的架構(gòu)。這個架構(gòu)適用于多種平臺和多種技術(shù)，并且便于移植。架構(gòu)的核心組件在 Apache 2.0 許可證下提供，為機器人專家充分運用自適應(yīng)計算，實現(xiàn)軟件定義硬件鋪平了道路。

其中 ：

• “連載一：什么是自適應(yīng)機器人”通過三大基本特征，征剖析自適應(yīng)機器人的概念產(chǎn)生、發(fā)展及特點
• “連載二：工業(yè)類比CPU／GPU，ASIC和FPGA，誰更適合機器人計算”通過工業(yè)車間操作流程進行類比，形象展示不同處理器平臺對于機器人系統(tǒng)的權(quán)衡利弊
• “連載三：為什么 FPGA 能在機器人中起到重要作用” 介紹機器人自適應(yīng)計算的概念，對自適應(yīng)計算的核心技術(shù)與功能進行總體介紹，并詳解 FPGA 在機器人應(yīng)用中發(fā)揮的作用，以及有關(guān)軟件定義硬件的概念
• “連載四：如何理解面向機器人的“軟件定義硬件””通過比較傳統(tǒng)機器人軟件編程和基于賽靈思自適應(yīng)解決方案平臺的編程模式進行比較，介紹軟件定義硬件的實現(xiàn)方法
• “連載五：為什么是通過 ROS 2集成自適應(yīng)計算？”簡要介紹 ROS 2 及其與自適應(yīng)計算的淵源
• “連載六：自適應(yīng)計算平臺實現(xiàn) ROS 之路”則分享了前期業(yè)界在自適應(yīng)計算及在機器人操作系統(tǒng)上的相關(guān)研究。
• “連載七：用ROS 2 在機器人內(nèi)部集成自適應(yīng)計算的新架構(gòu)”介紹了本文提出的架構(gòu)，以及如何利用這個架構(gòu)為 ROS 2 集成自適應(yīng)計算功能，并使其發(fā)揮重要作用。

機器人專家花費大量時間，以計算圖形式構(gòu)建機器人行為，解決手里的機器人任務(wù)。他們經(jīng)常使用現(xiàn)代的 C++ 語言，通過高級軟件工程操作，構(gòu)建復(fù)雜的實時系統(tǒng)。然而，他們并不是硬件工程師。機器人專家普遍缺乏硬件和嵌入式技術(shù)專業(yè)知識，因而妨礙了 FPGA 等自適應(yīng)計算技術(shù)的廣泛采用。本文在既往研究的啟發(fā)下，介紹機器人自適應(yīng)計算的基礎(chǔ)知識，并提出一種生成 ROS 2 軟件定義硬件的架構(gòu)。與過去的其他方法相比，本文提出的方法是假設(shè)面向的是沒有硬件或嵌入式技術(shù)專業(yè)知識的機器人專家，是以機器人專家為中心的角度提出的。

本文首先總結(jié)了開發(fā)機器人時選擇正確計算平臺的重要性，以及機器人內(nèi)部軟硬件之間的重要關(guān)系。然后使用工廠做類比，簡要講解 CPU、GPU、FPGA 和 ASIC 的計算原理并回顧相關(guān)研究文獻，發(fā)現(xiàn) FPGA 因低功耗、高性能、確定性、可重配置能力、安全性和自適應(yīng)特征，在用于機器人時具有顯著的優(yōu)勢。此外，本文也回顧了有關(guān)將 ROS 集成到 FPGA 平臺的既往研究，發(fā)現(xiàn)這些研究都從硬件工程師的角度出發(fā)，導(dǎo)致做出的設(shè)計決策往往嚴(yán)重制約性能空間。出于這個原因，本文從ROS 2 機器人專家的視角提出了一個提出建議，即全面考慮 ROS 2 的硬件加速。這一視角能體現(xiàn)：a） 優(yōu)化流程中、流程內(nèi)、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)（含底層）的 ROS 2 計算圖交互；以及 b） 加速 ROS 上運行的應(yīng)用。

本文提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)的架構(gòu)。該架構(gòu)由一套 ROS 2 包構(gòu)成，能夠?qū)⒂布铀偌傻?ROS 工作空間。這種架構(gòu)適用于各種平臺（瞄準(zhǔn)支持邊緣、工作站、數(shù)據(jù)中心或云）和各種技術(shù)（支持 FPGA 和 GPU），并且能夠輕松地移植到其他電路板上。該架構(gòu)的核心組件已經(jīng)在 Apache 2.0 許可證下公開，對三種電路板的基本支持也已通過演示。此外，提供的架構(gòu)還適用于各種應(yīng)用，將來可以通過包含 catkin 擴展（ 非 ament）輕松移植到 ROS。