FPGAs, Hassas Robot Kontrol için Temel Neden

Robotik sistemler, alt ölçütleri tekrarlanabilir, mikrosaniye düzeyinde yanıt ve dalgasız determinizm, geleneksel işlemci tabanlı kontrolörleri sınırlarına iterek zorlamaktadır. Alan-Programlanabilir kapı Dizileri (FPGA) Bu boşluğu, paralel olarak binlerce işlemi yürüten bir donanım tanımlı kontrol mimarisini doldurur ve bu hassas bir saat boyunca, sensör füzyon modellerini doğrudan doğru bir şekilde kullanarak, doğrulayıcı ve doğrulayıcı bir şekilde tümleşik bir şekilde tasarıma entegre etmeyi gerektirir.

Yüksek hacimli robotlardaki merkezi zorluk, yüksek bant genişliği sensörünin kombinasyonudur, karmaşık kinematik modeller ve ultra hızlı bir şekilde hareket sinyalleri.Bir motor akımı çalıştırın, gerçek zamanlı işletim sistemi sadece bir eğitim süresine hizmet edebilir ve her biri aynı anda, her biri kendi başına, nano-zamanlama sistemleri ile ölçülmüş bir sistemle kontrol eder.

Bir FPGA Kontrol Mimarisi'nin Temel Yapı Blokları

Bir FPGA üzerinde hassas bir kontrol sistemi geliştirmek, kumaşın seçmenleri anlamakla başlar: mantık hücreleri, blok RAM, DSP dilimleri ve yüksek hızlı transceivers. Tasarımcı bölmeleri, paylaşılan hafıza tamponları ile iletişim kurma problemlerini bir dizi paralel işleme hatlarına girerler, arayüzler veya kayıtlı elhak sinyalleri.

  • [FONT=0]Sensor Interface Cores:[DDat, SGK veya SGK protokolleri) veya analog tabanlı geri bildirim için analog dönüştürücüler, inşa edilmiş zamanları ile yapılan basit IP bloklarının çoğu zaman gürültüyü geçmeksizin bastırmak için yapılandırılabilir dijital filtreler içerir.
  • [FONT=0]Motion Profil Jeneratör: [Dönetici: [Dönetici: 0,2] Bir donanım yörünge planlayıcısı, hesaplamalar pozisyonu, hız ve besleme-enk tork komutları gerçek zamanlı olarak polinom veya S-curve algoritmaları kullanarak, sabit nokta için arithmetic for deterministic execution time. Lookup masaları LUT kullanımına karşı linepolasyon doğruluğu ile bir araya getiren.
  • [FONT:0)Cascaded Control Loops: Nested PID (veya gelişmiş gözlemci tabanlı) kontrolörler, pozisyon döngüsü, hız döngüsü ve mevcut /tork döngüsü her biri özel boru hatlarında çalıştırılır, pozisyon için 20 kHz'nin döngü oranları ve 100 kHz'yi aşamasız aşama gecikme birikimi olmadan mevcut olan model tabanlı komplikeli kompozitler dahil edebilir.
  • [FONT=0)Güvenli ve Watchdog Mantık:[Dönetici: 0,2) Bağımsız olarak, pozisyonları karşılaştıran donanım monitörleri ve konumları ve mevcutları; ihlal üzerine, tek bir saat döngüsü içinde güç aşamalarını devre dışı bırakabilir bir donanım sinyalini iddia ederler, herhangi bir yazılım yığınına atlamak için.Bu monitörler, SIL 2/3 gibi işlevsel güvenlik seviyelerini reddantmiş gibi karşılamak için stratejdirilebilir.
  • [FONT=0]İletişim Köprüler: [Dönetici: [Dönetici: ] Gigabit Ethernet, EtherCAT veya CAN FD arabirimleri doğrudan bir denetçi ile iletişim kurma ve dağıtılmış veya dağıtılmış hareket kontrolörleri ile mikrosaniye senkronizasyonu ile uygulama için uygundur. EtherCAT köle kontrolörü özellikle FPGA uygulamaları için uygundur, çünkü çerçeve işlemesi doğal olarak paralel donanımla uyumludur.

Bu blokların her biri kaynak içeriğinden kaçınmak için dikkatli bir şekilde tasarlanmıştır. Örneğin, sensör arayüzü çekirdeği, her iki kanalda da kontrol döngüsü ve izleme için yumuşak bir işlemci tarafından erişilebilir olan iki kanal RAM'ı içerebilir.AXI4-Stream arabirimleri, AXI4-Lite işleyicisi ve statü kayıtları genellikle sabit nokta, Xilin gibi aşırı akıştan kaçınmak için sabit bir şekilde sabitlenebilirlik sağlar.

Tahmin edilebilir Performans için Akış ve Yöntemoloji

Güvenilir bir FPGA tabanlı kontrol sistemi, köprülerin sistem modellemesi, HDL kodlaması, simülasyon ve donanım doğrulamasını gerektiren bir disipline edilmiş bir iş akışı talep ediyor. Aşağıdaki aşamalar, zamanlaması ve minimping iterasyon döngülerine ulaşmak için kritik.

Sistem modelleme ve Mimari Katılımcı

Tek bir VHDL veya Verilog satırı yazmadan önce, kontrol mühendisi, MATLAB/Simulink veya Scilab/Xcos gibi bir araçta tüm sistem yanıtını belirlemeli ve böylece robot mekanizmasının sürekli zamanlı dinamikleri, Armboard veya yumuşak bir işlemci ile birlikte, tüm zaman ayarlayıcıları korumayı ve gerekli verileri kontrol altına almak için ortaktır.

RTL Design ve IP Entegrasyon

Kontrollü bölme ile RTL tasarımı başlar. Motor kontrolü için, PWM nesli gibi ortak fonksiyonlar için kullanılabilir, yapılandırılabilir filtre zincirleri ve dourasyon mantığı, donanım açıklaması dili kullanılarak yazılır. Birçok FPGA satıcısı ve üçüncü taraf IP sağlayıcıları, PWM nesli gibi normal bir şekilde kontrol için hazır bloklar sunar, böylece kritik bir süre boyunca üst düzey bir kontrol oluşturabilir ve dinamik bir zaman çizelgesi kullanarak sabit bir şekilde ayarlanabilir.

Simülasyon-Driven Verification

Analiz öncesinden düzeltme önemlidir. Testbenches, ModelSim veya Questa gibi bir RTL simülatörün Simulink bitki modeliyle birlikte çalıştığı, kontrol katlarını tamamen temsil eden bir ortamda kontrol etmek için eklenir ve tüm köşedeki sorunların çarpıştırılması gerekir.Bu aşama, bir RTL simülatörü Modelleme veya Questa'nın Simulink bitki modeli ile birlikte, kontrol edilebilir bir robotun tümleşik sistemler için limitli bir şekilde kontrol edilebilir.

Timing Closure and Resource Optimizasyon

FPGA sentez araçları HDL'yi bir net listeye dönüştürür ve kullanıcının zamanlama kısıtlamalarıyla tanışmaya çalışır. Hassas kontrol için, tasarımcı, geniş veri otobüslerinde yapılan karmaşık dinamik uygulamalar için gerçekçi saat süre sınırlamalarını tanımlamalı. Power analizi de yapılır, özellikle de kontrol edilen bir robotun içinde çalışırsa, kayıt duplikasyonu ve zeminplanlama sistemleri üzerinde yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan modüller için kullanılabilir.

Multi-Axis Hassasiyet Senkronizasyon için Paralelliği Kaldırın

Optik sistemler için kullanılan en güçlü argümanlardan biri, küresel bir strobe sinyali ile aynı saat kenarına birden fazla eksen senkronize etme yeteneğidir.Bu, optik ayar için kullanılan altı derecesiz platformda, tüm encoder örnekleri aynı anda tanımlanabilir ve tüm axes için hesaplanan hareket komutları aynı saat döngüsü içinde de uygulanabilir.

Ayrıca, model tahmin edici kontrol (MPC) gibi gelişmiş kontrol stratejileri, hızlı dinamik ortamlarda takip edilen doğru zaman en uygun yörüngeye sahip olabilir.In lineping the tahmin çözücü to a deep pipelined datapath that uses the Hardware's DSP blokları, sub-millisan çözme süreleri mümkün olsa da, on iki eyaletteki lineer modeller için, hızlı dinamik ortamlardaki en uygun şekilde en uygun şekilde kontrol yöntemleri kullanarak yardımcı olabilir.For nonlinear MPC, iterative methods like gradient descent, iterative methods like Donanım-accelerated, but they require careful management of recentlynce loop and may help using a soft operator for iterative control of the correct control of the correct operator.

Hassas Robotik Uygulamaları

Robotik-Assisted Microsurgery

Retina ven kana veya kochlear implantı eklemesi yapan cerrahi robotlar, mikronların ve kuvvet algılamalarının milinewton aralığındaki algılamasını gerektirir.Bir FPGA tabanlı kontrol cihazı ile birlikte, genel amaçlı bir işlemcide imkansız olan yüksek hızlı optik koherens tomografi (OCT) mesafe ölçümlerini ve kuvvet geri bildirimlerini gerektirir.

Yarı iletkenlik Wafer

Yarı iletkenlik, wafer-handling robotlar, donanımda gerçek bir kesintiye maruz kalma işlemi ile hassas 300 mm wafers taşırlar. FPGA kontrolörleri diğer fabrika otomasyon bileşenleri ile senkronize edilir, kenar tespiti için lazer yer değiştirme sensörleri okur ve modern fabs için genel ekipman geliştirme yeteneğiyle telafi eder.Ingly Controls'te, yeni bir donanımla birlikte, yeni bir donanıma sahip olan fiziksel donanıma sahip olmak için daha uygun bir şekilde sabit bir şekilde ayarlanabilir.

Uzay In-Space Servicing Robotics

Uydu servis görevleri, mikrosaniyeler içinde hasar görmüş bir ortaktan vazgeçebilecek robot kollarına güveniyor ve bu platformlarda genellikle performansta gecikmeli DC motorlarının kontrolünün yanı sıra, FPGA kumaşı ile ilgili hesaplamaları azaltmak için sistemdeki hataları azaltıcı ve ısıtılmış sensörlerin sabit tutulmasını sağlar.

Overcoming Development Challenges

Açık faydalara rağmen, gelişmekte olan FPGA tabanlı kontrol sistemleri, yazılım merkezli yaklaşımlarla kıyasla daha uzun bir öğrenme eğrisi ve daha uzun başlangıç geliştirme süresi sunar.

  • [FONT:0] HDL Development'nin karmaşıklığı: Yazma ve debugging donanım açıklaması kodu temel olarak bu geçişten farklı, ancak üretilen RTL'yi performans ve alan için optimize etmek, ve birçok latches'in derin bir dijital tasarım anlayışı gerektirir: HLS için C++'da kontrol algoritmasını geliştirmek, sonra bu geçiş için derlemek için manuel olarak eleştirel bir şekilde tasarlamak.
  • [FONT=0)Verification Effort:[Dönetici:[Dönetici Kontrol sistemi için modüler bir kontrol sistemi için erişimli doğrulama, yalnızca kritik yollar için 60-70% lik bir tasarıma dayalı doğrulama yardımı sağlar, ancak özel bir IP modülü için sağlam bir UVM ortamı oluşturmak, daha önce dağıtım algoritmalarının dağıtım işlemine ek bir katmanı sağlar: SystemC'de kontrol algoritmaların simülasyonu, sonra ayrıntılı RTL simülasyonu sadece kritik yollar için.
  • [FONT:0]Cost ve Power Trade-offs: Yüksek performanslı FPGA'lar karmaşık kontrol görevleri için uygun maliyetli olabilir ve aktif soğutma Tasarımcıları için işlem sistemini gerektiren 5-15 W'yi tüketebilir, daha iyi bir maliyet / güç oranı için daha küçük cihazlarla dengeleyebilirler, Lattig + veya Zynq UltraScale +[D) için düşük güçlendirici bir işlem sistemine ihtiyaç duyar.
  • [FONT:0]Long-Term Bakım: [Dönetici:[Dönetici:0) Uygulamada FPGA bitleri ile uzaktan kumandanlıklı bir tasarımla, ancak cihazın iki ayak izi için dikkatli bir şekilde planlama yapması gerekir, altın görüntü geri çekilme ve şifreli küçük değiştirmeler.In-air güncelleştirmeleri FPGA'lar için doğru bootloader tasarımı ile mümkündür, ancak cihazın tuğlalama riskinin iki-boot veya çok fazla-boot konfigürasyonları ile azaltılmalıdır.

Trendler: AI Hızlandırma ve Adaptif Kontrol

En son FPGA platformları, AI motor parçaları veya sıkıca çiftleştirilmiş DSP serisini doğrudan kumaşta doğruya doğru bir şekilde hızlandırıyor. Hassas robotlar için, bu, doğrulanmamış kontrol algoritmalarına kapıyı açar ve öğrenme tabanlı adaptasyon gibi modeller, doğrulayıcı bir şekilde uygulanabilir hale getirebilir.For sensitive Roboticss, this opens the feed- to to to adaptive control algorithms that use the correct time.This füzyon of deterministic control and learning-based adaptasyon can reachable with either approach alone.

Başka bir eğilim, FPGA'ların donanım hızlandırıcıları için sensör füzyonunu hızlandıracak şekilde kullanımıdır ve mobil hassas robotlar için (SLAM) mobil hassas robotlar için otomatik olarak işlem yapanlar gibi uygulama olanaklarını sağlar.In outally SLAM, özellikle de kameraların şarj edici ve derinlik tahminlerini şarj eden senaryolarda, gecikmeli algılamanın çarpışmalara yol açabilir.In addition, event-based kameralar (nemorphuroic sensörler) doğal olarak sabitlenmiş bir şekilde grafiksel olarak FPGA tabanlı bir şekilde işlenmesi nedeniyle, sabitlenmiş bir şekilde işlemsel olarak sabitlenmiş verilerle birlikte çalışır.

Geçerlilik, Kalibrasyon ve Alan Deployment

Bir laboratuvar prototipinden üretim seviyesi hassas robotu titiz bir şekilde talep eder. FPGA tabanlı kontrolör, otomatik olarak indirme hatalarına enjekte ederek, sabitleme ve sensör gecikmelerini gözlemleyerek, tüm kontrol yığınının ulusal metro koşullarına göre kullanılmasını sağlar.Forbration rutinleri otomatik olarak ayarlayıcı hataları otomatik olarak ayarlayarak, otomatik kalibrasyon sinyalleri toparlama sinyalleri toparlama sinyalleri tost komutlarını kullanarak elde etmek veya encoder yanıtlama işlemlerini tespit etmek için otomatik olarak elde etmek için kaydedilir.

Alan dağıtım, sertifikalı IP ve tasarım izolasyon mekanizmaları sağlayan şifreli bitleri güvenli bir şekilde önyükleme içerir ve kontrol mantığının aynı cihazda ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı tutma sağlar.For example, dual-redt watchdog timers with independent hour domains can meet SIL 3 requirements. Dahası, birçok modern FPGA desteği, iki RAM dışlayıcı ve şifreli kodlu yüksek çözünürlükte iki RAM (örneğin, iki anahtarlamalı saat domaini) ile aynı şekilde destekleyebilir.

The Road Ahead for Precision Robotic Control

FPGA'lar artık savunma veya yüksek enerji fiziği için ayrılmış bir niş teknoloji değildir.Onlar, hassas, hız ve sıralanabilir mantıkla aynı pakette, bir sonraki hassas robotların üretimi öğrenilecek, uyum sağlayacaktır ve bugün sadece elektrikli cihazlara göre donanım hızlandırıcıları ve 3D-IC'yi kullanarak, AI işlemcileri ve yeniden yapılandırılabilirliği sunan daha iyi bir şekilde optimize etmeye devam eden hassas robotların, daha iyi bir şekilde optimize etmesi için karmaşık görevleri yerine getirecek şekilde uygularlar.

Hassas robotik için FPGA tabanlı bir kontrol sistemi geliştirmek, gelecekteki gereksinimleri ortadan kaldırmak için çok disiplinli bir çabadır.Bu, tıbbi cihazlardan yarı iletkenlik talep etmek için, FPGA-güdümlü robotlar, hangi makinelerin elde edebileceğine dair bir kontrol platformu oluşturmaya devam edecektir. Gerçek zamanlı kontrol ve makineli bir platformda öğrenme, sadece hassas bir şekilde teşvik edilen, ancak yeni bir şekilde yeni üretim olanaklarına sahip olmak için, FPGA-güdümlü robotlar için de geçerli olacaktır.