ZytleBot：ROS対応自動走行ロボットへのFPGA活用を加速化する統合開発プラットフォーム
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IoT/M2M展 2019【春】（Japan IT Week 2019春）でのアヴネット株式会社様のブースにおいて，ミニプレゼンを実施させていただきました． ROS (Robot Operating System)に対応した研究・教育向けの自動走行ロボットTurtleBot3において，任意のハードウェア回路を書換可能なFPGAを活用することができる統合開発プラットフォームZytleBotの紹介です．ROBOTIS Japan様とも協業しております． https://github.com/tlk-emb/ZytleBot ROSの各種メリットを活かしながら，自動走行ロボットの開発にFPGAを導入することができます．CPUでは難しい処理をFPGAにオフロードすることで，高性能化や省電力化を図ることができます．また，ROSノードからのFPGAのインターフェースをテンプレートとして提供しており，ROSxFPGAのロボットシステム開発の加速化にも貢献します．
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- 1. ZytleBot： ROS対応自動走行ロボットへの FPGA活用を加速化する 統合開発プラットフォーム 高瀬 英希 （京都大学／JSTさきがけ） FPT2018 FPGA Design Competition優勝
- 2. 自己紹介 @takasehideki − 京都大学 情報学研究科 助教 − 組込みシステム技術に関するサマーワークショップ(SWEST) プログラム委員長・ステアリング委員 − 情報処理学会組込みシステム研究会 運営幹事 − TOPPERSプロジェクト 特別会員・運営委員 − ROS Japan UG 関西勉強会 主催 ROSConJP 2019 実行委員 − IoTあるじゃん(ALGYAN) 運営委員 − fukuoka.ex キャスト 主な研究開発プロジェクト −SWORDS: ソフトウェア志向の協調設計環境 −mROS: 組込み向けROSノード軽量実行環境 2
- 3. github.com/tlk-emb/ZytleBot 自律移動ロボットの開発に向けて • 様々な状況に対応する複雑な制御 • バッテリ駆動のための電力制約 • AI/ML処理を実現する処理性能 • 多品種少量生産の展開への対応 3 (Robot Operating System) FPGA 高機能･多機能化 省電力化 並列性能 設計柔軟性
- 4. github.com/tlk-emb/ZytleBot とは？ http://www.ros.org/about-ros/ ROS is not just framework, but design platform!! • Plumbing: ノード単位の出版購読型通信 • Tools: シミュレータやデバッガなど 強力な開発支援ツール • Capabilities: 2,000以上のOSSパッケージ • Ecosystem: 世界規模の開発コミュニティ 画像取得 ノード 人検出 ノード /image 物体検出 ノード 他ノードの振る舞いを意識せずに 追加・削除ができる 4
- 5. 5 TurtleBot3 Burger ROS公式の研究・教育用ロボット組立キット • テーブルトップでROSやSLAMの学習が出来るロボット • OSRF(open robotics)からのリクエストで誕生 • 改造の自由度が高く、ROS対応ロボット作成が容易
- 6. 6 FPGA (Field Programmable Gate Array) HDLや高位合成から書き換え可能な回路を生成 低消費電力、高性能 CPU内蔵のFPGAの採用によりCPU⇔FPGA間の高速通信が可能 PS(Processing System) ARM Cortex-A9 ソフトウェア制御 PL(Programmable Logic) ハードウェアアクセラレーション可能 PS／PL間を高速データ送受信 Xilinx社 Zynq-7000 Programmable SoC
- 7. github.com/tlk-emb/ZytleBot ROS対応ロボットへのFPGAの適用 7 • 書換・再構成可能な回路を設計 • 省電力性・並列性能の向上 • CPUとの密結合による柔軟な構成 • 開発生産性の向上への期待 • 豊富なOSSパッケージ • 分散システム・マルチスケール対応 ROSとFPGAの双方で 高度な開発知識が求められる ロボット技術者がFPGAを 導入する敷居は高い (逆も)
- 8. github.com/tlk-emb/ZytleBot ROS対応ロボットへのFPGAの適用 8 • 書換・再構成可能な回路を設計 • 省電力性・並列性能の向上 • CPUとの密結合による柔軟な設計 • 開発生産性の向上への期待 • 豊富なOSSパッケージ • 分散システム・マルチスケール対応 ZytleBot ROSxFPGAを加速化する 統合開発プラットフォーム
- 9. github.com/tlk-emb/ZytleBot ZytleBot • ROSベースの統合開発プラットフォーム −ROSのメリットを活かしながらFPGAを導入可能 −CPUでは難しい処理をFPGAにオフロード Vivado HLSによる回路設計が可能 −ROSノードからのFPGAのインターフェースを テンプレートとして提供 PetaLinuxイメージ構成も提供 9 車体ロボット TurtleBot3 メインボード Zybo Z7-20 OS Ubuntu 16.04 LTS ROS Kinetic Kame 自律移動ロボット開発における FPGA開発技術の習得を容易化
- 12. github.com/tlk-emb/ZytleBot ZytleBotの活用例 12 PS(CPU) PL(FPGA) PetaLinux(Ubuntu) Motor (via OpenCR) USB Webcam 信号検出IP PCam 5C 路面画像処理IP Driving System • FPT2019 FPGA Design Competition
- 13. github.com/tlk-emb/ZytleBot ZytleBotの活用例 13 • 赤信号検知処理 特徴量抽出 8x8 BGR画素値 8x8 HSV画素値 32x64 HOG特徴量 ランダムフォレスト カメラ画像 一定のウインドウ 範囲を走査・切り 出し，350枚の 画像から赤信号で あるかを推論 1. ウインドウ切り出し 2. リサイズ (32*64) 3. 色変換 BGR->HSV BGR->GRAY 4. リサイズ(8*8) 前処理 HWで処理！
- 14. github.com/tlk-emb/ZytleBot おわりに • ZytleBotROSxFPGAを実現する統合開発プラットフォーム −ROSのツールやパッケージを活かして自律移動ロボットを開発可能 −FPGAを容易に導入可能 省電力性および性能を向上 Vivado HLSによる回路設計が可能 ROSノードからのFPGA活用方式を提供 • 今後の展開 −ROS 2への対応 −Ultar96 (Zynq UltraScale) への対応 −オープンソースパッケージの拡充 −FPGAアクセラレーション回路の拡充 14
- 15. github.com/tlk-emb/ZytleBot Join the FPGA Competition!! • Dec. 9-13, China 15
Notas del editor
- 自動運転だと認知・判断・制御
- ROS is not just framework, but design platform to accelerate the development of robot systems. There is 4 features for ROS, plumbing, tools, capabilities, and ecosystems. Plumbing means the publish / subscribe messaging infrastructure. ROS offers powerful tools to support configuring, debugging, and visualizing tasks. Capabilities means a broad collection of libraries. Finally, ROS project is organized by the world-wide community. Next, I will explain these features in detail.
- At first, let's review the contribution of ROS 1 and ROS 2. The main advantage of ROS 1 is a huge number of open source packages. We can start the development by utilizing these existing packages. However, one of the serious issue for ROS 1 is that we must employ Desktop version of Linux to operate ROS1 nodes. It means that we should select high-performance and power-hunger devices, such as AARCH64 or x86 CPU. We think use of embedded technology would contribute to power consumption & real-time capability for robot systems. ROS 2 tries to introduce embedded device to the ROS systems. However, there is no compatibility between ROS 1 and ROS 2. It is hard to port the implementation of ROS 1 package to ROS 2 directly. So, ROS developer should implement package of ROS 2 from the ground up.
- At first, let's review the contribution of ROS 1 and ROS 2. The main advantage of ROS 1 is a huge number of open source packages. We can start the development by utilizing these existing packages. However, one of the serious issue for ROS 1 is that we must employ Desktop version of Linux to operate ROS1 nodes. It means that we should select high-performance and power-hunger devices, such as AARCH64 or x86 CPU. We think use of embedded technology would contribute to power consumption & real-time capability for robot systems. ROS 2 tries to introduce embedded device to the ROS systems. However, there is no compatibility between ROS 1 and ROS 2. It is hard to port the implementation of ROS 1 package to ROS 2 directly. So, ROS developer should implement package of ROS 2 from the ground up.
- 赤信号検知ノードでは、ランダムフォレストによる赤信号の推論と、それに伴う処理を実行しています。 葉ノードに含まれる情報（そのノードに到達した赤信号/それ以外の学習画像の枚数）より赤信号である確率が求まる 自動運転ノードで推測される自己位置で変化 また、画像全体を処理するのはCPU的にもFPGAの回路面積的にも厳しいので、ウィンドウを切り取っていますが、 このウィンドウの切り取り範囲は自動運転システムで推測した自己位置によって動的に変化させています。
- リファレンスデザインの
- 両国 Ryan Gariepy：ROSCon共同創立者でビジネス面のアドバイザ Louise Poubel：Gazeboのメイン開発者