[論文レビュー] Adaptive Computing in Robotics, Leveraging ROS 2 to Enable Software-Defined Hardware for FPGAs

Víctor Mayoral Vilches, Giulio Corradi|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 47被引用数 8

ひとこと要約

この論文では、ロボティクス研究者がFPGAベースのハードウェアアクセラレータをロボットシステム内のファーストクラスコンポーネントとして設計・デプロイできる、ROS 2ネイティブなアーキテクチャを提案している。FPGAの設定をROS 2インターフェースを通じて抽象化し、プラットフォームに依存しないApache 2.0ライセンスのフレームワークを提供することで、低レベルのハードウェア知識が不要な状態で、スループット、電力効率、決定論的動作といったハードウェア特性をランタイムで再構成可能となる。

ABSTRACT

Traditional software development in robotics is about programming functionality in the CPU of a given robot with a pre-defined architecture and constraints. With adaptive computing, instead, building a robotic behavior is about programming an architecture. By leveraging adaptive computing, roboticists can adapt one or more of the properties of its computing systems (e.g. its determinism, power consumption, security posture, or throughput) at run time. Roboticists are not, however, hardware engineers, and embedded expertise is scarce among them. This white paper adopts a ROS 2 roboticist-centric view for adaptive computing and proposes an architecture to include FPGAs as a first-class participant of the ROS 2 ecosystem. The architecture proposed is platform- and technology-agnostic, and is easily portable. The core components of the architecture are disclosed under an Apache 2.0 license, paving the way for roboticists to leverage adaptive computing and create software-defined hardware.

研究の動機と目的

• ロボティクスソフトウェア開発とハードウェア再構成のギャップを埋め、FPGAベースのアクセラレータをロボティクス研究者がファーストクラスのROS 2コンポーネントとして扱えるようにすること。
• FPGAの設定と統合を低レベルのハードウェア詳細から分離する、プラットフォームおよび技術に依存しないアーキテクチャを提供すること。
• Apache 2.0ライセンスの下で再利用可能でオープンソースのフレームワークを提供することで、ロボティクスにおける適応型コンピューティングの障壁を低減すること。
• スループット、消費電力、決定論的動作といったハードウェア特性を、ソフトウェア定義の設定によりランタイムで適応可能にすること。
• FPGAをROS 2エコシステムにシームレスに統合し、ハードウェア動作を動的かつ即時の再構成が可能な状態にすること。

提案手法

• 標準的なROS 2トピイック、サービス、パラメータを通じてFPGAの設定と制御を公開するROS 2ベースのミドルウェア層を設計すること。
• FPGA論理とアプリケーション論理を分離するハードウェア抽象化レイヤーを定義することで、モジュラで再利用可能なハードウェアコンポーネントを実現すること。
• ROS 2メッセージを介したランタイムでのFPGAの動的再プログラミングを可能にする、設定管理システムを実装すること。
• デバイスに依存しないインターフェースを用いることで、さまざまなFPGAプラットフォームとツールチェーンをサポートし、異なるロボットシステム間でのポータビリティを確保すること。
• ROS 2のリアルタイムおよびセキュリティ機能を活用し、適応型ハードウェアコンポーネントの信頼性と安全性の高い実行を保証すること。
• コアコンポーネントをApache 2.0でリリースすることで、コミュニティによる採用、拡張、既存のロボットスタックへの統合を促進すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FPGAをROS 2ロボティクスフレームワーク内にファーストクラスの動的再構成可能なコンポーネントとして統合するにはどうすればよいか？
• RQ2 FPGAベースのアクセラレータを、深いハードウェア知識がなくても設定・管理できるようにするためのアーキテクチャパターンは何か？
• RQ3 スループット、消費電力、決定論的動作といったハードウェア特性を、ソフトウェアインターフェースを通じてランタイムでどのように適応できるか？
• RQ4 多様なFPGAプラットフォームとロボットシステム間でのポータビリティと相互運用性を保証する抽象化メカニズムは何か？
• RQ5 ROS 2エコシステムは、ハードウェア論理の動的デプロイと再構成をどのようにネイティブにサポートできるか？

主な発見

• 提案されたアーキテクチャにより、標準的なROS 2インターフェースを通じてFPGAベースのハードウェアアクセラレータのランタイム再構成が可能となり、スループットや電力効率といったシステム特性の動的適応が実現された。
• フレームワークにより、低レベルのFPGA実装詳細が抽象化され、ロボティクス研究者がハードウェア固有の実装にこだわることなく、アルゴリズム的動作に集中できるようになった。
• コアコンポーネントがApache 2.0ライセンスでリリースされたため、オープンでコミュニティ主導の拡張と、既存のロボットシステムへの統合が可能となった。
• プラットフォームおよび技術に依存しないデプロイメントをサポートすることで、多様なFPGAデバイスとロボットプラットフォーム間での互換性が保証された。
• FPGAをファーストクラスのROS 2コンポーネントとして統合することで、適応型ハードウェアワークロードのリアルタイム的で決定論的かつ安全な実行が可能になった。
• アーキテクチャにより、ロボティクスにおけるソフトウェア定義ハードウェアパターンが実現され、ソフトウェア制御によりハードウェア動作を即時のオンザフライ変更が可能となった。