電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）對(duì)于熟悉機(jī)器人應(yīng)用的讀者，對(duì)ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）想必是不會(huì)陌生的。ROS作為機(jī)器人開(kāi)發(fā)的基石，為機(jī)器人在研發(fā)過(guò)程中的代碼復(fù)用提供了支持的開(kāi)源框架。大量的機(jī)器人開(kāi)源項(xiàng)目，從感知到控制、從定位到構(gòu)圖、從導(dǎo)航到可視化，都使用ROS作為基礎(chǔ)。

而不久前AMD XILINX推出了以ROS2為中心的增強(qiáng)機(jī)器人自適應(yīng)計(jì)算能力的硬件加速方法——Kria Robotics Stack（KRS），通過(guò)硬件加速為機(jī)器人帶來(lái)自適應(yīng)計(jì)算能力。

從ROS到ROS2

ROS2基于ROS升級(jí)而來(lái)，如果說(shuō)ROS為機(jī)器人研究和機(jī)器人原型開(kāi)發(fā)提供了公用的軟件架構(gòu)并建立了良好的開(kāi)源?態(tài)的話(huà)，那么ROS2就是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步補(bǔ)齊了?于機(jī)器人部署環(huán)境的開(kāi)發(fā)架構(gòu)和相應(yīng)的工具鏈。

這一升級(jí)也是因?yàn)殡S著ROS在各類(lèi)機(jī)器人系統(tǒng)，甚至延伸到在各類(lèi)無(wú)人系統(tǒng)中的普及，暴露出了越來(lái)越多的弊端。首先它對(duì)資源的需求大，并不能保證在資源有限的嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行，其次它的通信抗干擾性較差?？梢哉f(shuō)傳統(tǒng)機(jī)器人ROS實(shí)質(zhì)上是仍舊停留在主控芯片邊界的，需要通過(guò)串行協(xié)議或者ROS中的工具與主控芯片集成在一起。如果操作系統(tǒng)允許在硬件級(jí)別附近運(yùn)行ROS節(jié)點(diǎn)，那么所有硬件外設(shè)都可用于該應(yīng)用程序，從而使其能夠直接與低級(jí)總線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行交互，亦與傳感器和執(zhí)行器接口互通。從ROS到ROS2正是基于這些原因進(jìn)行的升級(jí)改版。

ROS2解決了ROS在很多層面上的性能短板，包括但不限于實(shí)時(shí)性、對(duì)MCU的支持、網(wǎng)絡(luò)通信的依賴(lài)程度、多機(jī)器人的支持等等。另外，ROS2采?RTSP（Real-Time Publish-Subscribe）協(xié)議的DDS作為中間層，大大提升了通信表現(xiàn)。DDS作為?種?于實(shí)時(shí)和嵌?式系統(tǒng)發(fā)布－訂閱式通信的?業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在系統(tǒng)容錯(cuò)和靈活性上會(huì)更加完善?？偟膩?lái)說(shuō)，ROS2解決了ROS在下一代實(shí)時(shí)機(jī)器人技術(shù)上的局限性。

機(jī)器人的自適應(yīng)計(jì)算

機(jī)器人是一個(gè)系統(tǒng)中系統(tǒng)——它包括感知環(huán)境的傳感器，感知環(huán)境的執(zhí)行器，計(jì)算處理所有系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)其應(yīng)用做出一致的響應(yīng)。在很大程度上，機(jī)器人技術(shù)是系統(tǒng)集成的藝術(shù)，無(wú)論是在軟件還是硬件方面。作為機(jī)一種高度集成的專(zhuān)業(yè)化系統(tǒng)，機(jī)器人旨在執(zhí)行具有高可靠性和精度的任務(wù)。因此，機(jī)器人中的硬件和軟件能力之間的關(guān)系是至關(guān)重要的。

大多數(shù)機(jī)器人在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換信息，這在某種程度上可以說(shuō)機(jī)器人是一個(gè)對(duì)時(shí)間敏感的網(wǎng)絡(luò)。機(jī)器人系統(tǒng)通常只有有限的板載資源，包括內(nèi)存、I/O和磁盤(pán)或計(jì)算能力，這阻礙了系統(tǒng)集成過(guò)程，使其在非結(jié)構(gòu)化、動(dòng)態(tài)或不斷變化的環(huán)境中難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)需求。因此，必須為機(jī)器人系統(tǒng)選擇一個(gè)合適的計(jì)算平臺(tái)，一個(gè)既能簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成，又能滿(mǎn)足功率限制，并使機(jī)器人適應(yīng)不斷變化的需求（即自適應(yīng)機(jī)器人）。

自適應(yīng)機(jī)器人三大基石分別是自適應(yīng)行為、自適應(yīng)機(jī)電一體化以及自適應(yīng)計(jì)算，至少滿(mǎn)足其中一個(gè)才能被稱(chēng)為自適應(yīng)機(jī)器人。我們這里主要關(guān)注自適應(yīng)計(jì)算。自適應(yīng)計(jì)算指的是機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)適應(yīng)其計(jì)算系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)屬性（例如，其決定論、功耗或吞吐量）的能力。FPGA一直以來(lái)都扮演了自適應(yīng)計(jì)算中的重要角色，從過(guò)去這么多年的機(jī)器人應(yīng)用來(lái)看它比CPU和通用GPU都更適合機(jī)器人自適應(yīng)計(jì)算。

FPGA幾乎可以用于機(jī)器人技術(shù)中的任何處理任務(wù)，在數(shù)據(jù)流計(jì)算上非常出色，遵循數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器模型，有很高的并行性和吞吐量的潛力。FPGA適合自適應(yīng)計(jì)算的另一個(gè)方面是，數(shù)據(jù)路徑寬度和寄存器長(zhǎng)度可以根據(jù)每個(gè)機(jī)器人應(yīng)用程序的需要進(jìn)行定制。CPU和通用GPU雖然在控制流計(jì)算上很出色，但固定架構(gòu)很難適應(yīng)新的機(jī)器人場(chǎng)景，同時(shí)它們的功耗通常比專(zhuān)門(mén)的計(jì)算架構(gòu)高出一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

ROS2與機(jī)器人自適應(yīng)計(jì)算

以ROS2為中心的增強(qiáng)機(jī)器人自適應(yīng)計(jì)算能力的硬件加速方法——Kria Robotics Stack專(zhuān)門(mén)針對(duì)此前AMD XILINX推出的Kira SOM硬件組合，提供低延遲（快速計(jì)算）、確定性（可預(yù)測(cè)）、實(shí)時(shí)（準(zhǔn)時(shí)）、安全性和高吞吐量的徹底硬件加速，將自適應(yīng)算力帶向 AI 和軟件開(kāi)發(fā)者。其核心為將機(jī)器人技術(shù)中使用的傳統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)方法與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法相結(jié)合以?xún)?yōu)化硬件資源的數(shù)量，從而提高性能，并允許更高效、確定性和安全的硬件結(jié)構(gòu)。

KRS與ROS2深度綁定，沒(méi)有重新設(shè)計(jì)庫(kù)和模擬器，直接建立在ROS2上。ROS2位于KRS架構(gòu)的核心，在中間件組層中被繼續(xù)增強(qiáng)。為了幫助ROS2突破OSI堆棧中的時(shí)間瓶頸和限制，KRS分三類(lèi)對(duì)ROS2進(jìn)行硬件加速。

KRS部分架構(gòu)圖，AMD XILINX

第一個(gè)針對(duì)ROS 2應(yīng)用程序和庫(kù)，這個(gè)組可以在ROS 2之上加速OSI L7應(yīng)用程序或庫(kù)，包括導(dǎo)航、操作、感知或控制堆棧中的所選組件；第二個(gè)針對(duì)ROS2核心，在FPGA或SOM中加速或卸載ROS2節(jié)點(diǎn)；第三個(gè)針對(duì)ROS2的底層，包括完整或部分FPGA加速DDS實(shí)現(xiàn)、卸載網(wǎng)絡(luò)堆棧等等。

Kria SOM與KRS加速示例，AMD XILINX

以ROS2為核心，KRS從整體硬件加速的視角出發(fā)，既優(yōu)化了ROS2內(nèi)的計(jì)算交互，也對(duì)在ROS2上的應(yīng)用提供了加速，在ROS2中實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)計(jì)算的集成。

寫(xiě)在最后

KRS以ROS設(shè)計(jì)人員的視角提供了一種實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)計(jì)算的思路，再結(jié)合SOM，為機(jī)器人應(yīng)用提供了雙重軟件和硬件靈活的計(jì)算基底，提供了下一代機(jī)器人所需的關(guān)鍵自適應(yīng)特性。