作者： Víctor Mayoral-Vilches 和 Giulio Corradi，賽靈思公司

序言

2021年 4 月， 賽靈思創(chuàng)新性地推出自適應系統(tǒng)模塊（SOM）產(chǎn)品組合　Kria SOM。作為一種量產(chǎn)型小尺寸嵌入式板卡，該平臺經(jīng)濟實惠、開箱即用，最主要是賽里思通過工具創(chuàng)新，借助SOM賦能上百萬軟件開發(fā)者，使其可以獲益于賽靈思自適應計算平臺的高性能和靈活性優(yōu)勢，而且可以使其將應用部署時間縮短多達 9 個月。

“一石激起千層浪”， Kria　的出現(xiàn)，在其所面向的廣泛的邊緣應用領域引起積極的反響，而機器人應用就是其中之一。

傳統(tǒng)的機器人軟件開發(fā)，是基于預定義的架構(gòu)和約束條件在給定機器人 CPU 中進行功能編程。然而采用自適應計算后，構(gòu)建機器人行為則是在進行架構(gòu)編程。通過采用自適應計算，機器人專家能在運行中適配機器人計算系統(tǒng)的一個或多個屬性（如它的確定性、功耗、安全態(tài)勢或吞吐量）。

然而，機器人專家并不是硬件工程師，他們普遍缺乏與嵌入式技術(shù)相關(guān)的專業(yè)知識。本文將從當今熱門的?。⒆赃m應機器人＂概念入手，從 ROS 2 機器人專家的視角介紹自適應計算，并提出一種能夠讓 FPGA 在 ROS 2 生態(tài)系統(tǒng)中起主要作用的架構(gòu)。這個架構(gòu)適用于多種平臺和多種技術(shù)，并且便于移植。架構(gòu)的核心組件在 Apache 2.0 許可證下提供，為機器人專家充分運用自適應計算，實現(xiàn)軟件定義硬件鋪平了道路。

其中 ：

• “連載一：什么是自適應機器人”通過三大基本特征，征剖析自適應機器人的概念產(chǎn)生、發(fā)展及特點
• “連載二：工業(yè)類比CPU／GPU，ASIC和FPGA，誰更適合機器人計算”通過工業(yè)車間操作流程進行類比，形象展示不同處理器平臺對于機器人系統(tǒng)的權(quán)衡利弊
• “連載三：為什么 FPGA 能在機器人中起到重要作用” 介紹機器人自適應計算的概念，對自適應計算的核心技術(shù)與功能進行總體介紹，并詳解 FPGA 在機器人應用中發(fā)揮的作用，以及有關(guān)軟件定義硬件的概念
• “連載四：如何理解面向機器人的“軟件定義硬件””通過比較傳統(tǒng)機器人軟件編程和基于賽靈思自適應解決方案平臺的編程模式進行比較，介紹軟件定義硬件的實現(xiàn)方法
• “連載五：為什么是通過 ROS 2集成自適應計算？”簡要介紹 ROS 2 及其與自適應計算的淵源
• “連載六：自適應計算平臺實現(xiàn) ROS 之路”則分享了前期業(yè)界在自適應計算及在機器人操作系統(tǒng)上的相關(guān)研究。
• “連載七：用ROS 2 在機器人內(nèi)部集成自適應計算的新架構(gòu)”介紹了本文提出的架構(gòu)，以及如何利用這個架構(gòu)為 ROS 2 集成自適應計算功能，并使其發(fā)揮重要作用。

機器人專家花費大量時間，以計算圖形式構(gòu)建機器人行為，解決手里的機器人任務。他們經(jīng)常使用現(xiàn)代的 C++ 語言，通過高級軟件工程操作，構(gòu)建復雜的實時系統(tǒng)。然而，他們并不是硬件工程師。機器人專家普遍缺乏硬件和嵌入式技術(shù)專業(yè)知識，因而妨礙了 FPGA 等自適應計算技術(shù)的廣泛采用。本文在既往研究的啟發(fā)下，介紹機器人自適應計算的基礎知識，并提出一種生成 ROS 2 軟件定義硬件的架構(gòu)。與過去的其他方法相比，本文提出的方法是假設面向的是沒有硬件或嵌入式技術(shù)專業(yè)知識的機器人專家，是以機器人專家為中心的角度提出的。

本文首先總結(jié)了開發(fā)機器人時選擇正確計算平臺的重要性，以及機器人內(nèi)部軟硬件之間的重要關(guān)系。然后使用工廠做類比，簡要講解 CPU、GPU、FPGA 和 ASIC 的計算原理并回顧相關(guān)研究文獻，發(fā)現(xiàn) FPGA 因低功耗、高性能、確定性、可重配置能力、安全性和自適應特征，在用于機器人時具有顯著的優(yōu)勢。此外，本文也回顧了有關(guān)將 ROS 集成到 FPGA 平臺的既往研究，發(fā)現(xiàn)這些研究都從硬件工程師的角度出發(fā)，導致做出的設計決策往往嚴重制約性能空間。出于這個原因，本文從ROS 2 機器人專家的視角提出了一個提出建議，即全面考慮 ROS 2 的硬件加速。這一視角能體現(xiàn)：a） 優(yōu)化流程中、流程內(nèi)、網(wǎng)絡內(nèi)（含底層）的 ROS 2 計算圖交互；以及 b） 加速 ROS 上運行的應用。

本文提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標的架構(gòu)。該架構(gòu)由一套 ROS 2 包構(gòu)成，能夠?qū)⒂布铀偌傻?ROS 工作空間。這種架構(gòu)適用于各種平臺（瞄準支持邊緣、工作站、數(shù)據(jù)中心或云）和各種技術(shù)（支持 FPGA 和 GPU），并且能夠輕松地移植到其他電路板上。該架構(gòu)的核心組件已經(jīng)在 Apache 2.0 許可證下公開，對三種電路板的基本支持也已通過演示。此外，提供的架構(gòu)還適用于各種應用，將來可以通過包含 catkin 擴展（ 非 ament）輕松移植到 ROS。