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

連載七：用ROS 2 在機器人內部集成自適應計算的新架構

圖 1 所示的架構將硬件加速集成到 ROS 2 中，同時堅持以機器人專家為中心的理念。不要求熟悉非 ROS 工具（如 Vivado 或 Vitis 工具），或熟悉 OpenEmbedded 或 Yocto。此外，該架構構建在開放的標準之上，以 C++ 和 OpenCL 作為生成加速內核的目標計算語言。通過這種方法，機器人領域的大多數用戶都可以受益于硬件加速的功能。該架構基于三大支柱構建：ROS 構建系統 （ament）、ROS 元構建工具 （colcon） 以及嵌入式固件 （firmware）。

圖 1： ROS 2 硬件加速工作組 （HAWG） 初始架構

第一個支柱是 ament ROS 2 構建系統的擴展。ament_vitis（1）通過一系列 CMake 宏和實用工具實現這些擴展，將 Vitis 工具包含到 ROS 2 生態系統內。提議的架構是一種適用于幾乎任何加速技術的架構，即 ament_acceleration 抽象層從框架和軟件平臺（如 Vitis 工具）抽象構建系統擴展，為 FPGA 和 GPU 提供支持。作為替代加速技術的例子，圖 10 里包含了 ament_rocm，展現未來集成 ROCm5（2）軟件開發平臺的潛力，以實現 HPC/超大規模級 GPU 計算。在后臺，ament_acceleration 的每次專門優化都需要對應的庫。例如，ament_vitis 依靠 Vitis 和賽靈思運行時 （XRT） 庫（3）。后者是一種開源的標準化軟件接口，用于簡化應用代碼和加速內核之間的通信。Vitis 工具和 XRT 完全對機器人工程師隱藏，不僅簡化了加速內核的創建，而且還幫助機器人專家專注于計算圖像的改進。通過提供猶如任何其他 ROS 封裝的體驗，以這種方式實現簡化加速內核創建工作的目標。圖 2 所示的代碼列表 1 展示的是使用 ament_vitis ROS 封裝的示例。宏 vitis_acceleration_kernel 提供靈活性，允許用戶無縫地擴展CMakeLists.txt 并選擇加速 ROS 封裝的哪些部分。

圖 2： 代碼列表 1

第二個支柱擴展“colcon”ROS 元構建工具，以集成硬件加速專用流。

第三個支柱是嵌入式固件。表達為 acceleration_firmware（1），第三個支柱旨在為硬件加速平臺提供固件專用工件，這樣就能針對這些工件編譯加速內核，從而簡化流程并保持ROS 開發流程。提出的架構在構建時特意考慮到各種硬件加速平臺，可以支持邊緣（嵌入式）器件，以及適用于工作站、數據中心乃至云硬件加速的 PCIe? 加速器。平臺選擇通過在 ROS 工作空間資源（在 src/ 下）中加入特定的 acceleration_firmware 庫（acceleration_firmware_xilinx）來實現。構建過程中的平臺選擇（本例中為賽靈思 Zynq UltraScale+? MPSoC ZCU102 平臺）通過 colcon mixins 來實現。通過這種方式，colcon build -build- base=build-zcu102 -install-base=install-zcu102 -merge-install -mixin zcu102 將為 ZCU102 硬件平臺構建完整的 ROS 2 工作空間，交叉編譯 ROS 封裝，在運行中視情況為 ZCU102 平臺生成內核。所有中間步驟完全實現自動化，而且產生的 install-zcu102 目錄能直接在硬件中使用。

為了容納中間工件并在嵌入式流程中提供靈活性，acceleration_firmware 在 ROS 2 工作空間中引入新的子文件夾結構，即 《ros2-workspace-path》/acceleration/firmware/《platform》 路徑。

圖 3 是 acceleration_examples ROS 2 封裝構建完成后，該架構的工作方式預演。流程從 colcon 構建 ROS 2 工作空間開始（圖 3，插圖編號 1）。無需使用特殊的旗標，只是對應的封裝和硬件加速工作組 （HAWG） 基礎設施必須位于工作空間的 src 目錄內。colcon 將為開發工作站架構構建每一個封裝。這其中包含 ament_vitis Cmake 宏（圖 3，插圖編號 1），該宏將一系列 CMake 擴展部署到產生的本地 ROS 2 疊加工作空間中。

這些擴展與本地 Vitis 安裝（1）（圖 3，插圖編號 3）相連，對ROS 2 包直接提供其功能。換句話說，ROS 2 包能從它們的 CMakeLists.txt 文件使用這些宏，并且使用賽靈思的硬件加速工具。

固件包（如 acceleration_firmware_kv260）是該架構的重要組件。切換加速器時，只需用適用于新的目標加速器的包替換這個包即可。任意一個有效的固件包都應包含固件工件和 CMake 邏輯，以便在 ROS 疊加工作空間中正確地為實現硬件加速目的而解包、部署和配置固件（圖 3，插圖編號 4）。此外，有效的固件包應包含根文件系統、根文件系統的 sysroot（用于交叉編譯）或在構建時自動生成 ROS 2 mixins（2） 的模板，以簡化嵌入式流程和其他方面。如需進一步詳細了解，請參閱任何官方固件包的完整工件列表。

總之，首先調用 colcon 構建（圖 3，插圖編號 3），讓 ROS 2 工作空間為硬件加速做好準備并將文件部署在本地疊加內（圖 3，插圖編號 2、3 和 4）。在此之后，從本地疊加第二次調用帶 -mixin《target-board》 旗標的 colcon 構建，將進行交叉編譯（圖 3，插圖編號 51）并根據需要為目標加速器硬件生成加速器（圖 3，插圖編號 52）。從這一點開始，colcon_acceleration 包有助于其余流程的進一步自動化。這部分已超出本文所要探討的內容。

下列三種不同的電路開發板已經獲得基本支持：賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC ZCU102，ZCU104 以及 Kria? KV260 視覺 AI 入門套件。

圖 3：HAWG 初始架構內 ROS 2 包之間的交互走查

要點總結：在既往研究的啟發下，當前研究提出一種以 ROS 2 為中心的架構，讓硬件加速在 ROS 生態系統中發揮關鍵作用。圖 12 體現的提議被模塊化成不同的 ROS 2 包，它們的構建方式與任何其他 ROS 包一樣。這種架構適用于各種平臺（瞄準邊緣、工作站、數據中心或云提供支持），也適用于各種技術（支持 FPGA 和 GPU ），并且只需提供對應的專業 acceleration_firmware，就能輕松地將其移植到其他電路板。

表 4 總結了這里提出的方法與以前的工作的比較。

表 4：ROS 與 ROS 2 各類自適應計算集成方法比較表（含賽靈思 ament_vitis）