FPGA在機(jī)器人應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）想要機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化，需要具有敏銳且優(yōu)秀的感知，同時(shí)還能有精準(zhǔn)的運(yùn)控。就感知計(jì)算而言，尤其是視覺(jué)以及深度學(xué)習(xí)，計(jì)算量往往很大，對(duì)器件性能要求高。而且感知算法也在不斷發(fā)展，這需要對(duì)機(jī)器人處理系統(tǒng)做不斷地更新。

就控制而言，FPGA可以應(yīng)用在分散控制的小節(jié)點(diǎn)上，也可以在大節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用更高效能的FPGA SoC。區(qū)別于MCU，通過(guò)FPGA控制的系統(tǒng)最明顯的優(yōu)勢(shì)點(diǎn)就是驅(qū)動(dòng)反應(yīng)時(shí)間會(huì)大大縮短，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度會(huì)有一個(gè)較大提升。畢竟MCU是運(yùn)作在單一節(jié)點(diǎn)上的，在不添加拓展的情況下，隨著復(fù)雜的多軸運(yùn)算需求越來(lái)越高，運(yùn)作難免會(huì)有些乏力。

FPGA在機(jī)器人應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)很明顯，不少廠(chǎng)商也在這塊做了很多年，那么在深入應(yīng)用上又有哪些突破點(diǎn)值得期待？

FPGA與運(yùn)動(dòng)驅(qū)控

目前很多機(jī)器人本體廠(chǎng)商、機(jī)器人控制器廠(chǎng)商用FPGA已經(jīng)用了很多年了，還有不少本體廠(chǎng)商、機(jī)器人控制器廠(chǎng)商現(xiàn)在也在嘗試去使用。首先可以明確的一點(diǎn)是，以目前FPGA的性能來(lái)說(shuō)，用在常規(guī)的伺服驅(qū)動(dòng)、控制領(lǐng)域，性能甚至是過(guò)剩的。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能不僅和伺服控制相關(guān)，還與運(yùn)動(dòng)算法以及本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

就算法而言，目前大多基于CPU + Linux + ROS + EtherCAT這一技術(shù)體系設(shè)計(jì)，將算法模塊從CPU移植到FPGA中，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有被充分應(yīng)用，另一方面在機(jī)械設(shè)計(jì)沒(méi)有重大革命性進(jìn)步的情況下，機(jī)器人性能的天花板是存在的，難免顯得“過(guò)剩”。

常規(guī)的FPGA運(yùn)動(dòng)驅(qū)控已經(jīng)有很多案例可循了，將FPGA用于實(shí)現(xiàn)SVPWM、三環(huán)反饋控制，甚至實(shí)現(xiàn)驅(qū)控一體。我們挑機(jī)器人四大家族中的安川來(lái)看，作為工業(yè)機(jī)器人全球市占率排名前幾的廠(chǎng)商，安川的機(jī)器人控制器用Intel的FPGA作為ASIC的替代方案。

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Intel FPGA提供了各類(lèi)可配置的嵌入式 SRAM、高速收發(fā)器、高速 I/O、邏輯模塊和路由。用在控制上優(yōu)勢(shì)也很明顯，比起復(fù)雜函數(shù)計(jì)算運(yùn)行在微處理器上，配備板載數(shù)字信號(hào)處理，在FPGA上執(zhí)行高速 32 位雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算更容易實(shí)現(xiàn)運(yùn)控所需的精度和速度。Intel FPGA在安川的運(yùn)控上提供了包括PCI Express在內(nèi)的多種硬件IP，確保了總線(xiàn)連接的可靠又實(shí)現(xiàn)外圍邏輯集成。

這些可以說(shuō)仍然是對(duì)比CPU+操作系統(tǒng)+ROS架構(gòu)在局部性能的優(yōu)化，那深入應(yīng)用可以往哪里突破？如果將在各軸的控制基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)施加變化的微調(diào)量，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)各種狀態(tài)誤差導(dǎo)致的最終狀態(tài)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，將機(jī)器人性能進(jìn)行這種層次的拔高，這或許是超越傳統(tǒng)控制架構(gòu)FPGA實(shí)現(xiàn)深入應(yīng)用的一個(gè)方向。

FPGA與機(jī)器視覺(jué)

作為FPGA在機(jī)器人應(yīng)用里最火熱的方向，視覺(jué)被很多廠(chǎng)商視為FPGA打開(kāi)機(jī)器人市場(chǎng)最好的切入口。在機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)中，不可避免要和現(xiàn)在主流的SoC進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，這些接口主要以移動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器接口作為標(biāo)準(zhǔn)，集成MIPI CSI硬核的FPGA往往很吃香，比如國(guó)內(nèi)FPGA廠(chǎng)商易靈思的Trion系列。

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在執(zhí)行圖像處理算法與訓(xùn)練好的AI模型時(shí)，F(xiàn)PGA是與GPU并列的主流方案，而且在功耗方面具備非常大的優(yōu)勢(shì)。并且因?yàn)槠銼OC屬性，能夠和其他各種功能模塊高效協(xié)同。從AMD Xilinx的Kria SoM以及瑞薩、易靈思的ProMe SoM來(lái)看，目前FPGA廠(chǎng)商很青睞于以System on Module這種形式打入機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)。

SoM能提供嵌入式處理系統(tǒng)的各種核心組件，包括處理器內(nèi)核、通信接口和內(nèi)存模塊等。從視頻處理到智能傳感到機(jī)器視覺(jué)，這種模塊化解決方案讓SoM成了嵌入機(jī)器人感知系統(tǒng)的理想選擇。SoM與其他器件的配合使用不僅可以完成在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)上的局部?jī)?yōu)化，對(duì)于整個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)也能給出基于模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)化。不論是不是以SoM形式切入，將這種模塊間的高效協(xié)同發(fā)揮出最大的效果是FPGA視覺(jué)應(yīng)用值得期待的突破方向。

小結(jié)

目前，在FPGA深入應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)正處在從局部性能優(yōu)化（伺服驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器視覺(jué)）到系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化轉(zhuǎn)變的階段。FPGA目前的性能對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用來(lái)說(shuō)是過(guò)剩的，如何在應(yīng)用中充分發(fā)揮出FPGA的性能與協(xié)同性，這是“深入應(yīng)用”的關(guān)鍵。