一种用于机器人应用的通用硬件架构FPGA设计。来源:Podlubne等人。
随着机器人变得越来越复杂和先进，它们通常会需要越来越多的硬件组件，包括机器人四肢、电机、传感器和驱动器。此外，机器人还集成了处理传感器收集的数据的计算机，并据此计划它们未来的行动。
然而，目前在这些计算机上运行的大多数软件解决方案都不是理想的，因为它们的速度限制使它们无法实时处理特别大的数量。提高集成在机器人内部的计算机能力的一种可能的方法是使用现场可编程门阵列(fpga)，这是一种基于可编程互连的可配置逻辑块矩阵的半导体器件。
这些设备的一个显著优势是，它们可以重新编程以适应特定的应用程序。fpga可以显著提高机器人的计算能力，同时也使它们更适应特定的应用。然而，到目前为止，将它们合并到现有系统中是非常具有挑战性的，因为使用具有特定集成能力的单个加速器限制了它们的适用性。
Technische Universit t Dresden (TUD)的研究人员最近开发了一种技术，可以开发集成许多硬件加速器的机器人。这项技术发表在《IEEE Access》杂志上的一篇论文中，它可以最终促进用基于fpga的组件替换现有驱动机器人系统的软件组件。
“这项工作是在CeTI项目的背景下进行的，该项目旨在加强人与机器之间的合作，或者更普遍地说，在真实、虚拟和远程环境中加强信息物理系统(CPS)之间的合作，”进行这项研究的研究人员之一Ariel Podlubne告诉TechXplore。特别是，这是一项结合嵌入式硬件研究(自适应动态系统主席)和软件建模(软件技术主席)的跨学科工作。”
Podlubne和他的同事们的这项新研究是他们之前研究的延伸，之前的研究探索了将fpga集成到机器人系统的可能方法。他们提出的方法对与Robot操作系统(ROS)、ROS2操作系统和潜在的其他软件解决方案相关的消息规范进行了全面的分析。然后，它使用这个分析的结果来生成机器人系统的硬件接口和架构。
一个复杂的阶段模型驱动的代码生成工具链用于生成硬件接口。来源:Podlubne等人。
Podlubne说:“我们的工作证明，基于机器人专家(ROS消息)的已知规范，从简单的应用描述生成一个复杂的基于fpga的系统的能力。”“这样，机器人系统的一部分就可以被FPGA取代，创造出性能更好、能效更高的系统。”
工具链可以生成创建高性能机器人系统所需的所有组件，只排除了加速器逻辑，这需要在系统上工作的开发人员编程。因此，新的方法可以大大简化硬件架构和软件组件的接口，这对于那些创建机器人的人来说是一个繁琐的任务。
最初，研究人员展示了他们的方法可以为基于ROS操作系统的系统生成硬件组件。但是，他们随后能够扩展其功能，使其也支持ROS2操作系统。
Podlubne说:“测试基础设施是一个补充。“除了一些用例之外，我们还进一步评估了所有现有的ROS消息。这被证明是非常有用的，因为开发过程涉及多个迭代以获得健壮的解决方案。我们的目标是获得完全的ROS/ROS2支持，我们的测试基础设施让我们能够发现漏洞，并为我们的研究创造信心。”
在未来，这种方法可以为开发性能更好的基于fpga的机器人系统铺平道路。这些系统能够实时分析大量数据，从而帮助人类解决更复杂的问题。
Podlubne补充道:“我们的下一步研究将专注于扩展工具链，以自动插入FPGA加速器(在执行计算的地方)，并包括动态部分重构(DPR)，根据当前部署的应用程序的需求，动态更改加速器。”
