借助 ROS 2 實現軟體定義自適應機器人

作者：
Víctor Mayoral-Vilches，賽靈思機器人系統架構師
GiulioCorradi，賽靈思工業、視覺、醫療與科學首席架構師

FPGA 能夠自適應生成定制計算架構，以前所未有的靈活性、更短的設計週期、更低的開發成本，助力各類機器人應用。


01, 機器人是一種“系統集成藝術”

機器人是一種複合系統，它由感知周邊環境的感測器、根據感知採取行動的致動器和負責處理數據的計算構成，從而對其應用做出連貫一致的響應。在很大程度上，機器人技術是一種系統集成的藝術，在軟體和硬體方面皆是如此。

以往的研究揭示，機器人領域中多達 70% 的資源被用於集成，而不是用於開發最終應用。直到最近，隨著較低端的工業機器人走向大規模普及化，機器人公司才開始在硬體基礎上著重軟體開發。

儘管如此，機器人仍然是高度專業化的系統，旨在以高可靠性和高精度執行一系列任務。因此，機器人內部的硬體和軟體能力之間的關係十分重要。大多數機器人通過內部網路交換訊息並滿足時序要求。從這種意義上來講，機器人屬於時間敏感型網路，


02, 選擇“適合的計算平台”

機器人系統的機載資源通常非常有限，如存儲器、I/O 和磁碟或計算功能，會阻礙系統集成進程，使之難以滿足非結構化、動態和不斷變化環境的實時性要求。隨著機器人內部網絡安全的發展，這一點更是如此，因為它經常在使用壽命方面對機器人提出新要求，需要修改機器人的邏輯，從而對實時環路產生影響

正因如此，為機器人系統選擇合適的計算平台至關重要。該平台既要簡化系統集成、符合功耗限制，也要能夠適應機器人應用不斷變化的需求。



打造“自適應機器人” Building Adaptive Robots

自適應機器人是指那些能夠成功應對新狀況的機器人。一台能夠稱得上“自適應”的機器人，必須具備 以下三大特性其中之一。滿足全部三項特性的機器人，可視為“完全自適應機器人”。。 自適應機器人基本要求

自適應計算是自適應機器人的第三項基本特性。對於機器人而言，主要指機器人能夠在運行過程中適配其計算系統的一個或多個屬性（如確定性、功耗或吞吐量）。在此方面，FPGA 正是實現自適應計算的理想技術，因其兼具通用性和強大功能，同時效率高、成本低。

在 FPGA 上不僅可以實現其他處理架構，還可以實現並行處理。因此，FPGA 可以用於處理幾乎任何機器人內部的任務。另一方面，FPGA 能夠針對每一種機器人應用的需求，專門定制數據路徑寬度和寄存器長度。

如果說，CPU 和 GPU 是工人按照順序依次將輸入加工成輸出的車間，那麼，FPGA 就是靈活的自適應工廠，能夠針對手中的具體任務定制創設裝配線和傳送帶。

FPGA 的工業類比



Kria SOM 是機器人的理想計算平台

傳統的機器人軟體開發，是基於預先定義的架構和約束條件，在給定機器人的 CPU 中進行功能編程。一旦機器人遇到適配需求，就會導致複雜的系統集成操作。然而，如果使用 FPGA，構建機器人行為就是為解決任務的架構編程。機器人架構師可以純粹從軟體創建自己的硬體設計，並通過各種平台完成交付。


三種自適應計算解決方案



2021 年，賽靈思推出了自適應 Kria 系統模組（SOM）。作為機器人專家與 FPGA 技術交互的三種途徑之一，採用 Kria SOM 將預裝配電路板插入定制的承載電路板，能夠幫助硬體工程師加快產品開發速度，避免因計算平台分心，並集中注意力創造增值。


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