[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出了一种原生支持ROS 2的架构，使机器人研究人员能够将自适应的、基于FPGA的硬件加速器作为机器人系统中的第一类组件进行设计和部署。通过使用ROS 2接口抽象FPGA配置，并提供一个与平台无关、采用Apache 2.0许可证的框架，该方法允许在无需低层硬件专业知识的情况下，运行时动态调整硬件属性，如吞吐量、功耗效率和确定性。

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.

研究动机与目标

• 通过使机器人研究人员能够将基于FPGA的加速器视为ROS 2中的第一类组件，弥合机器人软件开发与硬件重构之间的差距。
• 提供一种与平台和硬件技术无关的架构，将FPGA配置与集成从低层硬件细节中抽象出来。
• 通过提供一个可重用的开源框架（采用Apache 2.0许可证），降低机器人领域自适应计算的门槛。
• 通过软件定义的配置实现运行时对硬件属性（如吞吐量、功耗和确定性）的动态调整。
• 将FPGA无缝集成到ROS 2生态系统中，支持硬件行为的动态、实时重构。

提出的方法

• 设计基于ROS 2的中间件层，通过标准的ROS 2话题、服务和参数暴露FPGA的配置与控制接口。
• 定义硬件抽象层，将FPGA逻辑与应用逻辑解耦，实现模块化和可重用的硬件组件。
• 实现配置管理机制，通过ROS 2消息在运行时动态重新编程FPGA。
• 使用与设备无关的接口，支持多种FPGA平台和工具链，确保在不同机器人系统间的可移植性。
• 利用ROS 2的实时性和安全性特性，确保自适应硬件组件的可靠与安全执行。
• 将核心组件以Apache 2.0许可证发布，以鼓励社区采纳、扩展和集成到现有机器人软件栈中。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将FPGA作为第一类、可动态重构的组件集成到ROS 2机器人框架中？
• RQ2 哪些架构模式能使机器人研究人员在无需深入硬件知识的情况下配置和管理基于FPGA的加速器？
• RQ3 如何通过软件接口在运行时动态调整吞吐量、功耗和确定性等硬件属性？
• RQ4 哪些抽象机制可确保在不同FPGA平台和机器人系统之间实现可移植性和互操作性？
• RQ5 ROS 2生态系统如何原生支持硬件逻辑的动态部署与重构？

主要发现

• 所提出的架构通过标准ROS 2接口实现了基于FPGA的硬件加速器的运行时重构，支持对吞吐量和功耗效率等系统属性的动态调整。
• 该框架抽象了低层FPGA实现细节，使机器人研究人员能够专注于算法行为，而非硬件特定的实现。
• 核心组件以Apache 2.0许可证发布，支持开放、社区驱动的扩展与现有机器人系统的集成。
• 该方法支持与平台和硬件技术无关的部署，确保在多种FPGA设备和机器人平台间的兼容性。
• 将FPGA作为第一类ROS 2组件的集成，支持自适应硬件工作负载的实时、确定性和安全执行。
• 该架构在机器人领域实现了软件定义硬件的模式，支持通过软件控制在运行时动态修改硬件行为。