Ne gömülü sistemler?

Gömülü sistemler, daha büyük sistemlerde özel işlevleri gerçekleştirmek için tasarlanmış özel bilgisayar birimleridir.Genel amaçlı bilgisayarlar gibi, masaüstü veya dizüstü bilgisayarlar, gömülü sistemler belirli görevler için inşa edilir, gerçek zamanlı işlem için optimize edilmiş, düşük güç tüketimi ve yüksek güvenilirlik. Genellikle bir mikroişlemci veya mikrokontrolöryü hafıza ile birleştirir, giriş / arayüzler ve programlanabilir bazen mantık, tüm entegre bir tek bir tahtaya veya mikrodalga fırında basit mikro kontroller için yapılır.

Modern robotikte, bu sistemler robotların verimli, doğru ve özerk bir şekilde çalışabilmelerini sağlamak için gereklidir. Robotlar, algılama, işleme, davranışlama ve iletişim kurmak için birden çok gömülü birimi entegre eder. gömülü sistemlerdeki donanım ve yazılım arasındaki sıkı darbe, robotların mikrosaniyeler içinde çevresel değişikliklere tepki vermesine olanak sağlar, genel amaçlı bilgisayarların işletme sistemlerinden ve multitaskingden sorumlu olması nedeniyle uyuşamaz.

Robotik Sistemlerin Etkili Rolleri

Robotiklerde, gömülü sistemler, sensörler, motorlar, hareketleyiciler ve güç dağıtımları olarak hizmet eder.[Döneticiler, s.4) ve s.netmenler, s....................................................................................................................................................................................................................

Gömülü sistemler, verileri çevrelerinden yorumlamak ve kararlara göre karar vermek için robotların yapılandırılması ve montaj, ameliyat, depo lojistik ve gezegensel keşif gibi karmaşık görevlerde uyum sağlamalarını sağlar. Anahtar farklılaştırıcı, gömülü sistemler, deterministic zamanlama ile tasarlanmıştır - her görev güvenli robot hareket kontrolü için kritiktir.

Robotlarda Gömülü Sistemlerin Anahtar Fonksiyonlar

  • [FONT:0)Sensing:[Dönetici: Kameralar, LiDAR, ultrasonik sensörler, gyroskoplar, hızlayıcılar, güç sensörleri ve sıcaklık sensörleri.
  • [FONT:0)Processing:[Dönetici:[Dönlendirme:) Analyating sensör verileri çevreyi anlamak için bilgisayar vizyonu algoritmaları, engel algılama, yerelleştirme ve haritalama (SLAM), aynı zamanda AI inference on n), birçok modern gömülü sistem, özel donanım hızlandırıcıları (GPU, NPU, FPGA) gerçek zamanlı olarak bu hesaplamaları gerçekleştirmek için.
  • [FONT:0) Yönelme:[Dönetici:[Dönetici:0) Kontrol motorlar, servolar, pnömatik hareketleyiciler ve hidrolik sistemler. gömülü sistemler pul genişliği modulation (PWM) sinyalleri üretir, PID kontrol döngülerini kesin pozisyon /velocity/torque için yönetir ve güvenlik frenleme dizilerini idare eder.
  • [[Dönetici: 0 ) İletişim: [Dönetici: 0,4C, UART, Wi-Fi, Bluetooth ve 5G. gömülü sistemler, harici baz istasyonları ile veya diğer robotlarla senkronize etmek için sorumludur. Ortak protokoller CAN otobüs, EtherCAT, SPI, I2C, UART, Wi-Fi, Bluetooth ve 5G. Gömülü sistemler, veri toplama, hata kontrolü ve diğer robotlarla senkronize etmekten sorumludur.
  • [FONT:0)Power Management:[Dönetici:[Dönetici: 0 3) Cihazın seviyelerini takip etmek, şarj çevrimlerini yönetmek ve farklı bileşenlere verimli bir şekilde dağıtma gücü. Birçok gömülü kontrolörler, batarya ömrünü uzatmak için uyku modlarını ve dinamik gerilim ölçeklerini uygular.

Robotikte Kullanılan Gömülü Sistemlerin Türleri

Robotik uygulamalar çeşitli gömülü sistem mimarisini kullanır, her biri farklı roller için uygundur:

  • [FONT:0)Mikronetler (MCUs): ), Low-cost, düşük güç çipleri entegre hafıza ve periferiklarla. örnekler ARM Cortex-M, AVR ve PIC. Basit sensör okuması, LED kontrol ve temel motor kontrolü için idealdir.
  • [FONT:0)Mikroişleyiciler (MPUs) ve Sistem-on-Chips (SoCs): ) Linux veya RTOS gibi tam işletim sistemleri çalışan yüksek performanslı çipler. Örnekler ARM Cortex-A serisi, Intel Atom ve Raspberry Pi gibi özel SoCs.
  • [[Dönetici:0)Field-Programlanabilir kapı Dizileri (FPGAs): ), Paralel donanım seviyesindeki işlemleri gerçekleştirmek için programlanabilir dijital mantık. FPGAs yüksek hızlı sensör işleme için kullanılır (örneğin, LiDAR veri filtreleme, kamera çerçeve işleme) ve son derece düşük gecikmeli özel iletişim protokolleri uygulamak için kullanılır.
  • [DSP'ler: [DSP'ler): [DFLT:1] Ses filtreleme, vibrasyon analizi ve gelişmiş motor kontrolü gibi sinyal işleme görevleri için özelleştirilmiş. DSPs, çarpık işlemleri çok verimli bir şekilde yürütebilir.
  • [FONT=0)Hard Real-Time Controllers:[Döneticiler:[Döneticiler) tarafından cevap vermek için tasarlanmış özel çipler veya modüller genellikle robotik cerrahi veya endüstriyel otomasyon gibi güvenlik-kırık uygulamalarda kullanılırlar, son zamanlarda eksik olan hasar veya yaralanmaya neden olabilir.

Gerçek Zamanlı Kıtlar ve Deterministic Davranış

Robotik sistemlerde gömülü sistemlerin tanımlanması, bu sonlu bir kontrol için sabit bir kontrol döngüsü içinde hareket eden veya sistem başarısızlığına yol açma yeteneğidir.

Genel amaçlı OSs'in aksine, bir RTOS, ultra sağ-düşüküm uygulamaları için öngörülebilir bir görev zamanlaması ve öncelikli olarak belirlenmiş bir ön boşluk sağlar.In ultra-low-latency applications, developers may trust to direct from flash memory.

[FONT=0) Sert gerçek zamanlı vs. yumuşak gerçek zamanlı sistemlerde, [Dönetici: 0:1] Sert gerçek zamanlı sistemlerde, bir robotun sistem başarısızlığını sık sık bir sistem hatası olarak kabul edilir. Örnekler, her bir alan için ayrı temelleri veya ayrı çipleri kullanarak.

Donanım-Software Co-Design for Robotics

Robotik için etkili gömülü sistemler, donanım ve yazılım tasarımı gerektirir. Mühendisler, hesaplama gücü, güç tüketimi, boyut, ağırlık ve maliyet arasındaki ticaret-offları dikkate almalıdır.

  • [FONT:0) Belirli hızlandırıcılara ağır hesaplamayı yükleyin: [FONTT:1] Örneğin, bir FPGA'yı ana CPU'ya göndermeden önce işlem kamera verilerini kullanarak veya bir sinir işleme ünitesi (NPU) kullanarak.
  • [FONT:0) Yüksek seviyeli bir işlemci ve düşük seviyeli mikrokontroller arasındaki ilişkileri ele alır: Merkezi SoC, navigasyonu ve planlamayı yönetirken, MCUs motor kontrol ve güvenlik döngülerini yönetirken, bu ana işlemciye yük azaltır ve hata izolasyonunu geliştirir.
  • [FONT:0) Donanım soyutlama katmanını (HAL):[Döneticileri farklı mikrokontroller, robot işletim sistemleri gibi yazılım taşınabilir hale getirmek için, ROS 2 gibi donanım soyutlama sağlar, ancak gömülü geliştiriciler genellikle özel HAL'leri belirli çip donanım donanımlarından çift uygulama kodu yazmaktadır.
  • [FONT:0) Tek bir çip üzerinde sensör füzyonu yapmak:[Dönetici:0) Birden fazla sensörden verileri (örneğin, IMU, odometri, GPS) daha yüksek yazılım katmanlarına kadar geçilen durumu azaltmak için donanım seviyesinde.

Bu tasarım yaklaşımı, modern robotik uygulamalar tarafından talep edilen performans ve güvenilirlik elde etmek için gereklidir, özellikle de yapılandırılmamış ve dinamik ortamlarda.

A Özerk Navigasyonda Gömülü Sistemler

Özerk navigasyon, robotik sistemlerdeki gömülü sistemler için en zorlu görevlerden biridir. Aynı anda yerelleşme ve haritalama (SLAM), yol planlama, engel önleme ve kontrol. Modern mobil robotlar - depolama AGV'lerden bağımsız arabalara kadar - lazer tarayıcılarından veri işlemeye güven.

[FONT:0]Sensor füzyon[Dönetici:0] Belirli sistemler tarafından yapılan özellikle önemli bir işlevdir. Örneğin, bir Kalman filtre veya genişletilmiş bir Kalman Filtre (EKF) doğrudan bir MCU veya FPGA üzerinde, birden fazla sensörden gürültülü okumalar birleştirip robotun pozisyonu ve yönelimini temiz bir tahmin etmek için uygulanır.

[FONT=0]Real-time SLAM algoritmaları[Dönetici: 1 ) giderek daha fazla dış bilişim kaynaklarına güvenmeksizin bilinmeyen ortamlara bağlı olarak çalışır.The NVIDIA Jetson ailesi ve Google Coral Edge Seiko, tüm SLAM borularını düşük güçte yürütebilecek gömülü platformların örnekleridir.

[FONT:0]Embedded iletişim yığınları [Dönder: 1) Ayrıca navigasyonda rol oynar.Kapam robotları için (örneğin, drone filoları), gömülü sistemler, ad-hoc ağlarını, senkronizasyonu ve MAVLink veya özel UDP tabanlı yığınlar gibi protokolleri ele geçirmek için kritiktir.

Güvenlik ve Yeniden Tanımlanmış Robot Sistemleri

Robotlar insanlarla veya kritik altyapıda çalışırken, güvenlik çok önemli hale gelir.Geçmiş sistemler acil duraklar, tork limiti ve çarpışma tespiti gibi güvenlik mekanizmalarının kalbindedir. Fonksiyonel güvenlik elde etmek için, gömülü sistemler ISO 13849 (makri) veya IEC 61508 (genel) gibi standartlara uymalıdır.

[FONT:0]Watchdog zamanılayıcılar , ana kontrolörün kalp atışını izleyen ve doğrudan motor gücünü tespit eden, güvenli bir iş ortağı olarak algılanan, daha gelişmiş güvenlik konseptleri için ).

[FONT:0]Fail-güvenli Yazılım[[Dönetici:0) Robotu hata algılaması üzerine bilinen güvenli bir duruma sokmak için tasarlanmıştır - örneğin tüm hareket ve frenleri durdurmak. gömülü sistemler de cerrahi sırasında uygulanan gücü kontrol etmek veya prosthetic uzuvunu sağlamak gibi tıbbi robotlarda yaşam-kırık fonksiyonları da yönetir.

[FONT:0) Güvenlik) başka bir büyüyen endişedir. Robotlarda gömülü sistemler kontrol komutlarını veya veri çalmak için siber saldırılar için hedefler olabilir. Güvenli boot, şifreli iletişim ve donanımlanabilir kökler giderek daha yüksek robotik gömülü platformlarda dağıtılır.

Güç Verimliliği ve Termal Yönetim

Mobil robotlar bataryalara güveniyor, güç verimliliğini önemli bir tasarım hedefi haline getiriyor. Gömülü sistemler performans gereksinimleri karşılamak için minimum güç tüketmek için optimize edilir. Teknikler şunları içerir:

  • [Dynamic gerilim ve frekans ölçeklendirmesi (DVFS): [DDVFS: [DFLT:1), tam performans gerekli olduğunda işlemciyi daha düşük hızda ve gerilimde çalıştırın.
  • [FONT:0]Sleep modları ve uyandırma-on-event:[Döneticiler) Birçok mikrokontrolör, bir sensör kesintisi beklerken derin uyku eyaletlerine girebilir, mevcut tüketimleri mikroamplara kesebilir.
  • [FONT:0]Efficient Peris:[Döneticileri kullanarak DMA (Direct Memory Access) verileri CPU katılımı olmadan transfer etmek ve tekrarlanan görevler için donanım hızlandırıcıları kullanmak.
  • [FONT:0) Enerji hasat:[[Dönetici robotlarda, gömülü sistemler enerji hasat devrelerini yönetiyor (solar, vibrasyon, kablosuz) bataryaları takviye etmek veya hatta son zamanlarda faaliyet göstermek için.

Termal yönetim eşit derecede önemlidir. Gömülü işlemciler ısı üretiyor ve kompakt robot vücutları küçük hava akışına sahip olabilir. Tasarımcılar ısı lavaboları, termal vias ve bazen aktif soğutma (küçük fanlar veya sıvı soğutma) gömülü sıcaklık sensörleri ve fan kontrolörleri tarafından kontrol ediliyor.

Modern Robotikte Gömülü Sistemlerin Örnekleri

Üretim, sağlık, keşif ve hizmette kullanılan robotlar gömülü sistemlere çok güveniyor:

  • [FONT:0) Orta Robotlar: [Dönetici: [Dönetici:0] Orta bilgisayar, yüksek çözünürlükte bulunan ve kontrol sistemleri ile ilgili olarak, her bir ortak gerçek zamanlı PID döngülerini çalıştırmış, merkezi bir PC koordinatları hareket ettirirken ve EtherCAT ile fabrika otomasyon sistemleri ile iletişim kurar:2).ABB Industrial Robotics.
  • [FONT:0)Medical Robotlar: [Dönetici: 0:2) Parsiyel geri bildirim ve hassas enstrüman kontrolü için çok özelleştirilmiş sistemler. Multi FPGAs ve DSPs süreci video akışları ve sensör verileri vücuttaki güvenli manevralar sağlamak için düşük gecikme süresi.
  • [FONT:0)Exploration Robotlar: [Dönder: 1) Mars, navigasyon, veri toplama ve Dünya ile iletişim kurmak için gömülü sistemlere bağlı olarak, s.ABET:0) A radyasyon-hard gömülü işlemci ( RAD750) rover'in tekerleklerini, kolları ve bilimsel aletleri kontrol etmek için özel bir donanıma sahiptir.
  • [FONT:0]Drones ve UAVs: Tüketici uçakları DJI Mavic ve endüstriyel uçaklar gömülü uçuş kontrollerini (örneğin, STM32 mikro kontrolleri PX4 veya ArduPilot'u çalıştırıyor) bu işlem IMU verilerini korumak için akıyor ve aynı zamanda radyo iletişim ve kamera gimbal kontrollerini de yönetiyorlar.
  • [FONT:0)Collaborative Robotlar (Cobots): ), Universal Robotlar ve Rethink Robotics, gömülü güç/tork sensörleri ve güvenlik tarafından kullanılan tork limitleri kullanan ortak robotları geliştirdiler.[Dönetici kontrol sistemi güvenlik kafesleri olmadan güvenli insan-robot işbirliğini sağlar – sadece bir algoritma monitörler ve hareketi durdurursa:

Mikroelektronik, yapay zeka ve sensör teknolojisi, robotik sistemlerdeki gömülü sistemlerin geleceği şekillendiriyor. Birkaç trend öne çıkıyor:

  • [FONT:0]TIWIYOR: [Dönder: 0:0]Işıklar üzerinde veri gönderme yerine, robotlar, gömülü donanıma doğrudan sinir ağları çalıştıracaktır. Bu, gecikmiş ve mahremiyeti azaltır.Demokrat Jetson AGX Orin, Google Coral ve Intel Movidius, robotları gerçek zamanlı nesne ve sahne algılamayı sağlar.
  • [FONT:0]Heterogeneous Computing:) Future gömülü işlemciler CPU, GPU, FPGA ve özel AI hızlandırıcıları tek bir ölüde birleştirecektir. Bu, robotun her görev için en verimli kaynağı dinamik olarak tümleştirmek için izin verir.
  • [FONT=0]Adaptive and Self-healing Systems:) Sertifikalı sistemler, donanım hataları tespit etmek için makine öğrenimi içerecektir (örneğin, başarısız bir motor encoder) ve FPGA'lar mevcutsa yeniden yapılandırma donanıma adapte olmak için kontrol stratejileri adapte olacaktır.
  • [FONT=0]Wireless Power and Communication:[Dönetici:[Dönetici: 0, Wi-Fi 6E) fiziksel bağlantı için ihtiyaç duyacaktır.
  • [FONT:0]Neuromorphic Processors: Intel Loihi ve IBM TrueNorth mimik biyolojik sinir ağları gibi Chips, sinir ağ işleme için aşırı enerji verimliliği sunmak için robotların gerçek zamanlı olarak öğrenip adapte olmasını sağlayabilirler.
  • [FONT:0) Soft Robotics'in Integration of Soft Robotics: Robotlar yumuşak ve daha esnek hale gelirken, gömülü sistemler anlam ve hareket eden devrelerde yer alacaktır. Flex PCB teknolojisi ve ultra-thin mikrokontroller, robotun vücudunda dağıtılmasına ve kontrole izin verecektir.

gömülü sistemlerin rolünü ve yeteneklerini anlamak, endüstrileri dönüştürecek ve günlük yaşamı geliştirecek olan bir robot uygulamaları geliştirmek için önemlidir. Mikrokontrolörlerden bağımsız navigasyon algoritmaları çalıştıran SoCs'a bir sensör okuyan, gömülü sistemler modern robotların görünmez omurgasını oluşturur.

Robotik sistemlerde gömülü sistemler hakkında daha fazla okuma için, yazara dayalı kaynakları keşfedin:

  • [FONT:0]IEEE Transactions on Robotics – Gömülü Sistemlerde Özel bölümler).
  • [FONT=0)Embedded.com – gömülü tasarımda News ve öğreticiler ).