מדוע FPGAs הם חיוניים לשליטה טכנית

מערכות רובוטיות דורשות חזרות תת-מילימטר, תגובה ברמה מיקרו-שנית, ודטרמיניזם לא גלימה לדחוף בקרים מבוססי מעבדים קונבנציונליים למגבלות שלהם. cc-Programmable Gate Arrays (FPGAs) למלא את הפער הזה על ידי המציע ארכיטקטורת בקרה מוגדרת חומרה המוציאה לפועל אלפי פעולות במקביל, נעולה לשעון מדויק, ומסוגלת לטפל במודלים של היתוך חיישן שישת לתקן מחדש מערכת בקרה סטנדרטית של אבטחה סטנדרטית.

האתגר המרכזי במנועי איכות גבוהה הוא שילוב של זרמי חיישן פסים גבוהים, מודלים מורכבים של קימפומטיים, וסימנים מהירים של הפעלה מהירה של מערכת הפעלה בזמן אמת יכול רק לשרת אחד הוראה בזמן, והפרעה של תזמון ישירות על ידי חיישן מערכת ההפעלה של CIR-S, תוך כדי ביצוע של בקרה על גבי מכשיר בקרה של מערכת ההפעלה CRM, כולל ביצועים של מערכת אבטחה של כלי רכב מרכזי, כולל של מערכת אבטחה של כלי רכב אחוריים, כולל של כל אחד של מנועים, כולל של מערכת אבטחה של מערכת אבטחה של מערכת אבטחה של מערכת אבטחה של מערכת אבטחה של 2.

בניין Core Blocks of aFPGA Control Architecture

פיתוח מערכת בקרה מדויקת על FPGA מתחיל בהבנה את המרכיבים של הבד: תאים לוגיים, חסם RAM, פרוסות DSP, ו transceivers במהירות גבוהה.המעצב מחלק את בעיית השליטה לתוך קבוצה של צינורות עיבוד מקבילים המחברים באמצעות מברשות זיכרון משותף, ממשקי סטרימינג, או אותות לחיצות רשום.

  • (FLT:0)Sensor Interface Cores:FLT:1 מחסומים IP Custom שקודמים קודקודים מוחלטים (BiSS-C, EnDat, או פרוטוקולים SSI) או קוראים ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים עבור משוב מבוסס פתרון, עם תזמון וזיהוי מובנה.
  • (FLT:0Motion פרופיל גנרטור: FLT:1 A trajectory מתכנן כי חישוב מיקום, מהירות, והוראות להורדת מזון קדימה בזמן אמת באמצעות אלגוריתמים פולינומיים או S-curve, הכל בנקודת קבוע עבור זמן ביצוע רדינל. חפש טבלאות עבור פונקציות טריגונומטריות בשילוב עם דיוק איזון ליניארי נגד השימוש.
  • (FLT:0)Cascaded Control Loops:FreaLT:1 , NSed PID (או משקיף מתקדם מבוסס) הטמיעו כמודולים חומרה מקבילים, שבו לולאה המיקום, מהירות לולאה נוכחית / מנקה כל רץ צינורות ייעודיים, המאפשרות קצבאות של 20 kHz עבור מיקום ו -100 kHz עבור הנוכחי ללא הצטברות שלב.
  • (FLT:0)Safety and Watchdog Logic:FLT:1 באופן עצמאי צג חומרים שצופים בעמדות בפועל וצווים, velocities, and Currents; על הפרת, הם טוענים אות שגיאה שיכולה להשבית את שלבי הכוח בתוך מחזור שעון יחיד, על ידי עקיפה של כל ערימה של תוכנה.
  • (FLT:0 Communication Bridges:FLT:1 Gigabit Ethernet, EtherCAT, או CAN FD ממשקים מיושמים ישירות בלוגיקה כדי להחליף פקודות וטלמטורי עם מארח פיקוח או מופץ בקרים תנועה עם סינכרוניזציה מיקרו-שנית.בקר עבד EtherCAT מתאים במיוחד ליישום FPGA כי מסגרות העיבוד שלו מקבילות באופן טבעי עם חומרה מקבילה.

כל אחד מהבלוקים האלה חייב להיות מתוכנן בקפידה כדי למנוע תוכן משאבים.לדוגמה, הליבה של ממשק החיישן עשויה לכלול זיכרון דוא-פורט כי מאחסנת נתונים נגישים על ידי לולאות הבקרה ומעבד רך למעקב. גנרטור פרופיל התנועה לעתים קרובות משתמש קבוע-נקודה עם בחירה באורך של מיקרו-סימון כדי למנוע על פני זרימת זמן תוך כדי למקסם את הדיוק. AXI4-Stams מומלץ עבור מעבד גבוה-band-פעמיים בין AxIx2 ו-Diplin דרך תצורה, בעוד ש-D2, תוך כדי טיפולית עם סטרואידים עם סטרואידים עם סטרואידים עם סטרואידים עם סטרואידים עם סטרואידים עם גישה רכה, תוך כדי להבטיח תצורה של רזולוציה נמוכה יותר.

עיצוב זרימה ושיטות לביצועים צפויים

בניית מערכת בקרה מבוססת FPGA אמינה דורשת זרימת עבודה ממושמעת שמשגבת את מערכת ההפעלה, HDL coding, סימולציה, ואימות in-Hardware.השלבים הבאים הם קריטיים להשגת תזמון ⁇ סטי וצמצום מחזורי ההסרה.

מערכת מודלים ואדריכלות

לפני כתיבת קו יחיד של VHDL או Verilog, מהנדס הבקרה חייב מודל התגובה המערכת כולה בכלי כגון MATLAB /Simulink או Scilab / Xcos. הדינמיקה של מנגנון הרובוט, בשילוב עם לולאות בקרת שער דיסקרטיות, הם מדומים לקבוע שגיאות קוונטיות מקובלות, מילות נקודות קצה קבועות, ושיעורי עדכון נדרש.

עיצוב RTL ושילוב IP

עם החלוקה המוגדרת, עיצוב RTL מתחיל.עבור בקרת מנוע, מודולים PID פרמטריים עם מעבדים נגד-windup, שרשראות סינון תזמון תצורה, ולוגיקה ריצוף נכתב באמצעות שפה תיאור חומרה. ספקים FPGA רבים וספקי IP של צד שלישי מציעים בלוקים מוכנים עבור פונקציות משותפות כגון PWM עם שילוב של זמן מת, quadrature encoder, ממשקים מעגליים מתמטיים ומתמטיקה - לעתים קרובות צריך לקחת ממשק מרכזי עבור ממשק זה לא ניתן לקחת ממשק מרכזי עבור ממשק זה.

המונחים: Simulation

אימות לפני סינתזה הוא חיוני. Testbenches חייב לממש את IP הבקרה נגד מודלים מתמטיים של הדינמיקה הרובוטית, הזרקת רעש חיישן, אפקטים קוונטיים, ועומסי יתר טרנסים הם הוסיפו לבדוק מצבים לא חוקיים, וכיסוי מדדים בדיקה כי כל המקרים של פינות פגעו. Co-simulation, שבו סימולטור RTLulology כמו Models או Questa ב-Coreicialial של מערכת הפעלה עם מערכת הפעלה של תאים כגון אפקט של תאים גמישים.

תזמון Closure ואופטימיזציה של משאבים

כלי סינתזה FPGA מתרגמים את ה-HDL ל- netlist ומנסים לעמוד במגבלות התזמון של המשתמש.עבור בקרת דיוק, המעצב חייב להגדיר מגבלות תקופת שעון מציאותיות עבור כל תחום שעון ולצמצם את העיכובים I/O ביחס ל- ADCs חיצוני או ל-Cocoder שבבים.טכניקות כמו Retiming, הרשמה, וריצוף ניתן להשתמש בהם כדי לסגור את התזמון על ידי תצוגה גבוהה כגון אוטובוסים דינמית, כגון הפעלה יעילה של לוחמתיקים, כולל של מנועי בקרה, כולל של שימוש ב-Ricial, כולל, בתנאי שימוש ב- 200.

מינוף מקבילות עבור Multi-Axis Precision SynSyncization

אחד הטיעונים החזקים ביותר עבור שליטה FPGA רובוטיקה דיוק הוא היכולת לסנכרן מספר אקסקסים לאותו קצה שעון.בפלטפורמת שישה מעלות של חופשות המשמשות עבור אופטיקה, כל הדגימות קודר יכול להיות מכווץ בו זמנית על ידי אות סטריבה גלובלית, ומילוי פקודות תנועה עבור כל axes יכול להיות מעודכן ובתוך אותו מחזור מוחלש זה יכול גם לבצע שגיאות קיוסקציה על ידי מעבדים אחד, אשר מופעלת על ידי רזולוציה משולבת של מערכת בקרה משולבת.

יתר על כן, אסטרטגיות בקרה מתקדמות כגון בקרת מודלים (MPC) ניתן להאיץ על FPGAs. על ידי מיפוי פתור החיזוי לנתונים מעוצבים עמוק המנצל את בלוקי DSP של הבד, מילימטר שנייה פתרון פעמים להיות אפשרי עבור מודלים ליניאריים עם עשרות מדינות, המאפשרת מעקב בזמן אמת אופטימלי גם בסביבות דינמיות מהירות.

מחקרים בנושא הרובוטיקה

רובוטי-Assisted Microsurgery

(הרובוטים הסורגיים המבצעים טינידוד ורידי או שילוב של שתלים) דורשים פתרון תנועה על סדר מיקרונים בודדים וכוח הרץ חישה בטווח המילימטרי (Finewton) , בקר מבוסס FPGA יכול לזרז את הלכידות האופטית המהירה ביותר למיקרו-Flastic Coherness) באופן מיידי, תוך שימוש ב-Crepulation CVal-Frepthentic-Ricerationeration עם LT2 Active-R.

Semiconductor Wafer Handling and Inspection[עריכת קוד מקור | עריכה]

בייצור תזמון סמייל, רובוטים נודדים להעביר עד 300 מ"מ בין תאי תהליכים עם חזרות תת-מיקרונית.בקר FPGA לתאם מספר רב של מוליכים אבק, קורא חיישני עקירת לייזר לאיתור קצה, ומפצה על הרחבה תרמית של קישורי הרובוט על ידי הפעלת שגרת קיפרציה בזמן אמת בחומרה EtherCAT באופן ישיר בתנאי ייצור מקבילים חדשים, כמו גם פונקציות סטנדרטיות סטנדרטיות סטנדרטיות סטנדרטיות של אוטומציה חדשה, אשר מאפשרות שיפור יעילות של ציוד קידוד FGA.

בסביבה הקרובה של Aerospace In-Space Servicecing Robotics

משימות servicing מסתמכות על נשק רובוטי שחייב לפעול באופן אוטונומי בוואקום עם אפס סובלנות לכישלון. FPGAs על פלטפורמות אלה לנהל את השליטה של מנועים DC ללא מכחול עם שליטה על שדה, ליישם לוגיקה של הדבקה אשמה המסוגלת לבודד את הסימון הפגום בתוך מיקרו-שניות, ולדאוג לחיישנים עם מחסנים המופעלים על ידי קרינה, לעתים קרובות, מקרינה נגד קרינה מקרינה נוזלית, כמו קיבולת חשמלית ל-Fercreicial של מערכת:

אתגרים לפיתוח

למרות היתרונות ברורים, פיתוח מערכות בקרה מבוססות FPGA מציג עקומת למידה תלולה וזמן פיתוח ראשוני ארוך יותר בהשוואה לגישות ממוקדות תוכנה.

  • (FLT:0) המורכבות של פיתוח HDL:Figal Reve 1) כתיבת ו- debugging קוד תיאור חומרה הוא שונה ביסודו מתוכניות קיימות.שיתוף משאבים, צינורות, והימנעות מ latches מופרעים דורשים הבנה עמוקה של עיצוב דיגיטלי.מודרני של כלי סינתזה ברמה גבוהה (HLS) המאפשרים C++s להיות מוכלל לחומרה, הם מעבר זה, אך ורק לאחר מכן נוצר עבור פונקציות קריטיות של CTL.
  • (FLT:0)Verification Effort: FLT:1 ; Achieving אימות מונחה כיסוי עבור מערכת בקרה מודולרית יכול לצרוך 60-70% של המאמץ הכולל של הפרויקט, טופסי בדיקת רכוש וסיוע אימות מבוסס קביעה, אבל הגדרת סביבה UVM חזקה עבור מודול IP מותאם אישית היא לא-זמנית צוותים רבים לאמץ גישה היברידית: אלגוריתמים של שליטה במערכת עבור מהירות, ולאחר מכן מפורטת עבור סימולציה של סימולציה בפועל (RIL-מעבדה) רק עבור סימולציה של שיטות הפעלה קריטיות (HRIL-אפקטיביות).
  • (FLT:0) Cost ו- Power Trade-offs: ההרחבה הגבוהה של FPGAs מתאימה למשימות שליטה מורכבות יכולה להיות יקרה ועשויה לצרוך 5-15 W, המחייבת קירור פעיל מעצבי צריכה לאזן ביצועים נגד עלויות מערכת ומגבלות תרמיות, לעתים קרובות באמצעות מכשירים קטנים יותר כמו FLT:2Xilinx Zynq-7000 או Zynq UltraScale +FLT 3, כמו מנועים מהירים יותר, כמו גם עבור מערכת הפעלה מהירה יותר.
  • (FLT:0) תחזוקת תנאי ארוך: 1.FLT:1 שלא תוכנה שניתן לתקנו מרחוק עם עדכון קושחה פשוט, עדכון FPGA bitstreams בשדה דורש תכנון זהיר עבור מנעול לא בטוח, תמונה זו נופלת, ומשלוח bitstream מוצפן כדי להגן על קניין רוחני ולמנוע שינוי לא מורשה.

מגמות מתפתחות: AI Acceleration and Adaptive control

הדור האחרון של פלטפורמות FPGA משלב אריחי מנוע AI או מערכי DSP בעלי זוג הדוקים המזרזים את ההיקף הרשת העצבית ישירות במרקם.עבור רובוטיקה מדויקת, זה פותח את הדלת לאלגוריתמים של שליטה אדפטיבית שמשתמשים במודלים של למדים כדי לפצות על דינמיקות לא מתוכננות כגון hysteresis, כבל, או לשלם וריאציות.

מגמה נוספת היא השימוש ב- FPGAs כדי להאיץ את היתוך החיישן עבור היקנות בו זמנית ומיפוי (SLAM) רובוטים מדויקים ניידים.על ידי הסרת התכונה הקדמית של מיצוי והערכה עמוקה ממצלמות לידר וסטריאו ל-Accelerators (הרובוט יכול לשמור על מיקום תת-ממדי תוך כדי לנוע במהירות, המאפשר התנגשויות בעלות ערך למחסנים ניידים עבור מחסנים ו-Fanamacticials (כגון תרחישים המבוססים על ידי FPAFPIFRMNICTORIFRMTORIRMS) במיוחד.

אימות, קליברציה ו-C Deployment

מעבר מטיפוס מעבדה רובוט דיוק ברמה הייצור דורש אימות קפדני.הבקר מבוסס FPGA חייב לעבור חומרה-in-the-loop (HIL) בדיקות שבו סימולטור בזמן אמת מודלים הצמח מכני ועיכובים חיישן, המאפשר את ערימה הבקרה כולה להיות מופעל ישירות בתנאים של בקרה משולבת ( ⁇ ) מוטבעת ב FPGA אוטומטית כדי להתאים את הביצועים המבוססים על תדירות המתקבלת על ידי אותות תגובה על ידי זיהוי חוזר של מערכות בקרה, כגון תיקון רצף אוטומטי.

פריסת שדה כוללת מנעול מאובטח של זרמי פיתוח מוצפנים, ניטור בריאות באמצעות טמפרטורת שבב וחיישנים מתח, וטלמטארי מרחוק מחסנית.בטיחות-מחוסנים זרמי פיתוח (למשל, IEC 61508) יותר נתמך על ידי FPGA Toolchains המספקים רכיבי IP ובודדים מתקדמים, המאפשרים לחלק קריטי של מעצבי הבקרה להיות מופרדים מתפקודים שאינם מאובטחים בתוך אותו מכשיר כפול, כולל דרישות שעון PG-מערכת אבטחה גבוהה יותר, כולל תמיכה פונקציונליות של PG-מערכת אבטחה גבוהה יותר, כולל PG-מערכת אבטחה גבוהה יותר, כולל PG-מערכת אבטחה PG-מערכת אבטחה, כולל PG-מערכת אבטחה גבוהה יותר, כולל PG-מערכת אבטחה PG-מערכת אבטחה גבוהה יותר, כולל PG-מערכת אבטחה PG-מערכת אבטחה גבוהה יותר, כולל תמיכה פונקציונלית (R).

הדרך קדימה לשליטה רובוטית

FPGAs כבר לא טכנולוגיה נישה שמורה להגנה או פיזיקה באנרגיה גבוהה. הם התבגרו מרכיבים חיוניים עבור כל מערכת רובוטית שבה דיוק, מהירות וקביעתן אינם ניתנים להשגה. כמו סינתזזה ברמה גבוהה משתפר, המחסום טיפות כניסה וצוותים קטנים יותר יכולים לשלב אופטימיזציה חומרים מתקדמים יותר לתוך הרובוטים שלהם.

פיתוח מערכת בקרה מבוססת FPGA עבור רובוטיקה דיוק הוא מאמץ רב תחומית הממזג ידע דומיין מכני, תיאוריה שליטה, עיצוב דיגיטלי, תוכנה משובצת. עבור אלה מוכנים להשקיע עקומת הלמידה, הפרס הוא פלטפורמה שליטה המציעה ביצועים מקבילים ⁇ סטיים, רוחב פס מסיבי, ואת הגמישות להתפתח עם דרישות עתידיות.