[논문 리뷰] Adaptive Computing in Robotics, Leveraging ROS 2 to Enable Software-Defined Hardware for FPGAs

Víctor Mayoral Vilches, Giulio Corradi|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 30.

Parallel Computing and Optimization Techniques참고 문헌 47인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 로봇 공학자들이 로봇 시스템 내에서 적응형 FPGA 기반 하드웨어 가속기를 일등 구성 요소로 설계하고 배포할 수 있도록 하는 ROS 2 네이티브 아키텍처를 제안한다. FPGA 설정을 ROS 2 인터페이스를 통해 추상화하고, 플랫폼에 종속되지 않는 Apache 2.0 라이선스를 적용한 프레임워크를 제공함으로써, 저수준 하드웨어 전문 지식 없이도 실행 시점에서 처리량, 전력 효율성, 결정성과 같은 하드웨어 성질을 재구성할 수 있도록 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 로봇 소프트웨어 개발과 하드웨어 재구성 간 격차를 해소하기 위해 로봇 공학자들이 FPGA 기반 가속기를 일등 ROS 2 구성 요소로 간주할 수 있도록 하는 것.
• 플랫폼 및 기술에 종속되지 않는 아키텍처를 제공하여, 저수준 하드웨어 세부 정보에서 FPGA 설정 및 통합을 추상화하는 것.
• Apache 2.0 라이선스 하에 공개된 재사용 가능한 오픈소스 프레임워크를 제공함으로써, 적응형 컴퓨팅의 접근 장벽을 낮추는 것.
• 처리량, 전력 소비, 결정성과 같은 하드웨어 성질을 소프트웨어 정의된 설정을 통해 런타임에서 적응 가능하게 하는 것.
• FPGA를 ROS 2 생태계에 원활하게 통합하여, 하드웨어 동작을 실시간으로, 즉각적으로 재구성할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 표준화된 ROS 2 토픽, 서비스, 파라미터를 통해 FPGA 설정 및 제어를 노출하는 ROS 2 기반 미들웨어 계층 설계.
• FPGA 논리와 애플리케이션 논리를 분리하여 모듈화되고 재사용 가능한 하드웨어 구성 요소를 가능하게 하는 하드웨어 추상화 계층 정의.
• ROS 2 메시지를 통한 런타임 시점에서의 FPGA 재프로그래밍을 허용하는 구성 관리 시스템 구현.
• 다양한 FPGA 플랫폼과 도구 체인을 지원하기 위해 기기 종속적이지 않은 인터페이스 사용으로, 다양한 로봇 시스템 간 이식성 확보.
• ROS 2의 실시간 및 보안 기능을 활용하여, 적응형 하드웨어 구성 요소의 신뢰성 있고 안전한 실행 보장.
• 핵심 구성 요소를 Apache 2.0 라이선스 하에 공개하여 커뮤니티의 채택, 확장, 기존 로봇 스택에의 통합을 장려하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 FPGA를 ROS 2 로봇 프레임워크 내에서 일등 구성 요소로 동적으로 재구성 가능한 구성 요소로 통합할 수 있는가?
• RQ2 로봇 공학자들이 깊이 있는 하드웨어 전문 지식 없이도 FPGA 기반 가속기를 구성하고 관리할 수 있도록 하는 아키텍처 패턴은 무엇인가?
• RQ3 처리량, 전력 소비, 결정성과 같은 하드웨어 성질이 소프트웨어 인터페이스를 통해 런타임에서 어떻게 적응 가능한가?
• RQ4 다양한 FPGA 플랫폼과 로봇 시스템 간의 이식성과 상호 운용성을 보장하는 추상화 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 ROS 2 생태계는 하드웨어 논리의 동적 배포 및 재구성 기능을 어떻게 네이티브로 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 아키텍처는 표준 ROS 2 인터페이스를 통해 FPGA 기반 하드웨어 가속기의 런타임 재구성을 가능하게 하여, 처리량 및 전력 효율성과 같은 시스템 성질을 동적으로 적응시킬 수 있다.
• 프레임워크는 저수준 FPGA 이식 구현 세부 정보를 추상화하여, 로봇 공학자들이 하드웨어 특화 구현보다 알고리즘적 동작에 집중할 수 있도록 한다.
• 핵심 구성 요소는 Apache 2.0 라이선스 하에 공개되어 있어, 오픈소스 기반의 커뮤니티 주도 확장 및 기존 로봇 시스템에의 통합이 가능하다.
• 플랫폼 및 기술에 종속되지 않는 배포를 지원하여, 다양한 FPGA 장치와 로봇 플랫폼 간의 호환성을 보장한다.
• FPGA를 일등 ROS 2 구성 요소로 통합함으로써, 적응형 하드웨어 워크로드의 실시간, 결정성 있고 안전한 실행이 가능해진다.
• 이 아키텍처는 로봇 공학에서 소프트웨어 정의 하드웨어 패턴을 가능하게 하여, 소프트웨어 제어를 통해 하드웨어 동작을 실시간으로 수정할 수 있다.