新技術説明会　様式例

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まれあおとじま
5 years ago
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1 1 ロボットへの FPGA 導入を容易化するコンポーネント技術宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻助教大川猛

2 2 従来技術とその問題点 FPGA(Field Programmable Gate Array) は任意のディジタル論理回路をプログラム可能な LSI ソフトウェアでは時間がかかる画像認識処理等をハードウェア化して高速化低消費電力化可能問題点 FPGA 上の回路設計が難しいロボットソフトウェアシステムへの導入が困難

3 3 新技術の特徴従来技術との比較従来技術の問題点であった FPGA をロボットシステムへ導入する開発を容易化することに成功した従来は FPGA を使用できるのはハードウェアソフトウェア両方の知識を持つ技術者に限られていたが FPGA を ROS* ノードとして動作させイーサネット経由でアクセス可能としたため容易にロボットシステムに導入することが可能となった *ROS: Robot Operating System ロボットソフトウェア開発基盤

4 4 ROS (Robot Operating System) ロボットソフトウェア開発用の共通基盤対象 OS:Ubuntu Linux ノード間の通信モデル :Publish/Subscribe( 出版 - 購読 ) モデル利点 : コンポーネントの追加修正が容易豊富なソフトウェアコンポーネントを利用可能例 ) カメラ入力モータ制御画像処理カメラ入力画像認識処理行動計画腕モータセンサ入力脚モータ

5 5 ROS 準拠 FPGA コンポーネント技術の概要提供可能な実装 (Xilinx FPGA 向け ) 1.SoC 版 : Zynq-7020(ARM 搭載 ) 2.Hardware 版 : Spartan-6 PS(ARM) Publisher Subscriber Publisher Subscriber input Publisher input ROS-Compliant FPGA Component(SoC) interface for FPGA PL(FPGA) Application interface for FPGA Hardware ROS-Compliant FPGA Component Subscriber HW FPGA Application Publisher HW output ROS node ROS node Subscriber output ROS 準拠 FPGA コンポーネント自動生成環境 (crecomp) 入力 : FPGA アプリケーション回路 (Verilog) および設定ファイル出力 : ROS ノード (Python/C++ および FPGA 回路 ) コンポーネント事例画像処理 : ラベリング (ARM プロセッサ上ソフトの 26 倍高速 ) センサフュージョン : 9 軸センサの情報を統合した姿勢推定

6 6 FPGA コンポーネント事例画像処理ラベリング ROS 準拠 FPGA コンポーネントターゲット :Xilinx 社 Zynq ARM プロセッサ +FPGA が 1 チップ化画像ラベリング処理 FPGA 回路を ROS ノードとして実装 1 画素 1 クロック処理 ARM より約 26 倍高速ラベリングの FPGA 処理解像度 :1920x1080 ARM: Cortex-A9 666Mhz FPGA: Zynq-7020 PC: Core i GHz

7 7 FPGA コンポーネント化の課題全体性能 : 約 1.7 倍の高速化 (ARM と比較 ) にとどまる SW only(arm) input ROS-Compliant FPGA Component(SoC) PS(ARM) Publisher Subscriber Publisher Subscriber interface for FPGA interface for FPGA output FPGA+ARM PL(FPGA) Application ROS node time(s) 通信遅延時間がボトルネックハードウェア化

8 8 通信のハードウェア化の検討 ROS ノード間の通信パケット内容の分析 1advertise ( bar, foo:1234) master 2{foo:1234} 1subscribe ( bar ) XMLRPC TCPROS Publisher topic name: bar hostname: foo XMLRPC port number: 1234 TCPROS port number :2345 Subscriber subscribe to bar Publisher 5 6 3requestTopic( bar,tcp) 4 foo:2345 Subscriber connect(foo:2345) data transmission Pub/Sub 通信は 2 ステップ XMLRPC を使用した登録処理 TCPROS によるデータ通信

9 9 提案のソフトハード構成 Publisher SW/HW 構成 1advertise ( bar, foo:1234) master 2{foo:1234} 1subscribe ( bar ) XMLRPC TCPROS Subscriber SW/HW 構成 1advertise ( bar, foo:1234) master 2{foo:1234} 1subscribe ( bar ) XMLRPC TCPROS Publisher Publisher SW on PC 3requestTopic( bar,tcp) 4 FPGA:3456 Subscriber Publisher 3requestTopic( bar,tcp) 4 foo:2345 Subscriber SW on PC Publisher HW on FPGA Subscriber HW on FPGA

10 10 通信のハードウェア化のまとめ方針 :TCPROSプロトコルのデータ通信のみをハードウェアTCP/IP(SiTCP) を用いて高性能化利点 :1ポート 1セッションのTCP/IPスタックで ROSノードを実現可能 ( 省ハードウェアコスト )

11 11 想定される用途本技術の特徴を生かすためには知的な判断が必要なロボットに適用することで画像認識性能向上低消費電力化のメリットが大きいと考えられる上記以外にロボットシステムへの FPGA 導入開発コスト削減の効果が得られることも期待されるまた産業機械や自動運転といった分野や用途に展開することも可能と思われる

12 12 実用化に向けた課題現在 FPGAのみでROSノードとしての画像処理動作が可能なところまで開発済みしかし制御を含むロボットシステムとしての動作が未実証である今後画像処理に基づくロボットシステム制御実験データを取得していく実用化に向けて FPGAアプリケーション回路を入力としてハードウェアROSノードを生成できるよう設計自動化技術を確立する必要もあり

13 13 企業への期待未解決のハードウェア ROS ノード自動生成については現在開発済みの Zynq 向けの自動生成ツールの追加開発により克服できると考えている画像認識による短遅延時間 ( マイクロ秒 ~ ミリ秒 ) での制御を行う必要がある応用を持つ企業との共同研究を希望またロボット産業機械自動運転技術を開発中の企業には本技術の導入が有効と思われる

14 14 本技術に関する知的財産権発明の名称 : ネットワーク接続ハードウェア処理装置出願番号 : 特願出願日出願人発明者 :2017 年 9 月 15 日 : 宇都宮大学 : 大川猛菅田悠平大津金光横田隆史

15 産学連携の経歴 2009 年年 NEDO 省エネルギー革新技術開発事業省エネ情報機器のための超並列バスによるヘテロジニアスマルチチップ積層 Cool System の研究開発研究分担 ( 株式会社トプスシステムズ ( 独 ) 産業技術総合研究所 ) 2009 年年戦略的基盤技術高度化支援事業 ( サポイン ) Ultra- Android: マルチコア対応組込みソフトウェアプラットフォームの研究開発研究代表 ( 株式会社トプスシステムズ ( 独 ) 産業技術総合研究所 ) 2014 年年 A-STEP ハイリスク挑戦タイプ ( 復興促進型 ) 安全な航海の為のネットワーク接続カメラによる画像認識システムの研究開発研究代表 ( 株式会社アイディアイ宇都宮大学東京海洋大学 ) 2015 年年総務省 SCOPE 委託事業 ( 若手 ) 低消費電力ロボット応用の為の FPGA コンポーネント化技術の研究開発研究代表現在共同研究パートナー募集中 15

16 16 お問い合わせ先宇都宮大学産学イノベーション支援センター産学連携イノベーション知財部門濵地正成 TEL FAX

SICE東北支部研究集会資料(2009年)

SICE東北支部研究集会資料(2009年) 計測自動制御学会東北支部第 5 回研究集会 (9.7.5) 資料番号 5- FPGA を用いたステッピングモータの制御に関する検討 Control of a Stepping Motor using FPGA 萩原正基 *, 秋山宜万 *, 松尾健史 *, 三浦武 *, 谷口敏幸 * Masaki Hagiwara*, oshikazu Akiyama*, Kenshi Matsuo*, Takeshi

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