借助ROS 2實現(xiàn)軟件定義自適應(yīng)機器人

FPGA 能夠自適應(yīng)生成定制計算架構(gòu)，以前所未有的靈活性、更短的設(shè)計周期、更低的開發(fā)成本，助力各類機器人應(yīng)用。

1. 機器人是一種“系統(tǒng)集成藝術(shù)”

機器人是一種復(fù)合系統(tǒng)，它由感知周邊環(huán)境的傳感器、根據(jù)感知采取行動的致動器和負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)的計算構(gòu)成，從而對其應(yīng)用做出連貫一致的響應(yīng)。在很大程度上，機器人技術(shù)是一種系統(tǒng)集成的藝術(shù)，在軟件和硬件方面皆是如此。

以往的研究揭示，機器人領(lǐng)域中多達 70% 的資源被用于集成，而不是用于開發(fā)最終應(yīng)用。直到最近，隨著較低端的工業(yè)機器人走向大規(guī)模普及化，機器人公司才開始在硬件基礎(chǔ)上著重軟件開發(fā)。

盡管如此，機器人仍然是高度專業(yè)化的系統(tǒng)，旨在以高可靠性和高精度執(zhí)行一系列任務(wù)。因此，機器人內(nèi)部的硬件和軟件能力之間的關(guān)系十分重要。大多數(shù)機器人通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換信息并滿足時序要求。從這種意義上來講，機器人屬于時間敏感型網(wǎng)絡(luò)。

2. 選擇“適合的計算平臺”

機器人系統(tǒng)的機載資源通常非常有限，如存儲器、I/O 和磁盤或計算功能，會阻礙系統(tǒng)集成進程，使之難以滿足非結(jié)構(gòu)化、動態(tài)和不斷變化環(huán)境的實時性要求。隨著機器人內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)安全的發(fā)展，這一點更是如此，因為它經(jīng)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(huán)路產(chǎn)生影響

正因如此，為機器人系統(tǒng)選擇合適的計算平臺至關(guān)重要。該平臺既要簡化系統(tǒng)集成、符合功耗限制，也要能夠適應(yīng)機器人應(yīng)用不斷變化的需求。

打造自適應(yīng)機器人

自適應(yīng)機器人是指那些能夠成功應(yīng)對新狀況的機器人。一臺能夠稱得上“自適應(yīng)”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(yīng)機器人”。

自適應(yīng)機器人基本要求

自適應(yīng)計算是自適應(yīng)機器人的第三項基本特性。對于機器人而言，主要指機器人能夠在運行過程中適配其計算系統(tǒng)的一個或多個屬性（如確定性、功耗或吞吐量）。在此方面，F(xiàn)PGA 正是實現(xiàn)自適應(yīng)計算的理想技術(shù)，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(xiàn)其他處理架構(gòu)，還可以實現(xiàn)并行處理。因此，F(xiàn)PGA 可以用于處理幾乎任何機器人內(nèi)部的任務(wù)。另一方面，F(xiàn)PGA 能夠針對每一種機器人應(yīng)用的需求，專門定制數(shù)據(jù)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，那么，F(xiàn)PGA 就是靈活的自適應(yīng)工廠，能夠針對手中的具體任務(wù)定制創(chuàng)設(shè)裝配線和傳送帶。

FPGA 的工業(yè)類比

Kria SOM 是機器人的理想計算平臺

傳統(tǒng)的機器人軟件開發(fā)，是基于預(yù)先定義的架構(gòu)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(dǎo)致復(fù)雜的系統(tǒng)集成操作。然而，如果使用 FPGA，構(gòu)建機器人行為就是為解決任務(wù)的架構(gòu)編程。機器人架構(gòu)師可以純粹從軟件創(chuàng)建自己的硬件設(shè)計，并通過各種平臺完成交付。

審核編輯：郭婷