FPGA 在机器人领域的应用——自动化革命

作者：碎碎思，来源：OpenFPGA

在当今快速发展的技术环境中，机器人技术已成为制造业、医疗保健、农业和物流等各个行业自动化的基石。

随着对更智能、更快速、更高效的系统的需求，工程师和开发人员不断寻求提高机器人性能和能力的方法。

这正是现场可编程门阵列 (FPGA)发挥作用的地方。FPGA 以其多功能性和实时处理能力而闻名，它通过提供精确处理复杂任务所需的计算能力和灵活性，正在改变机器人行业。

与CPU 和 GPU 等传统处理器不同，FPGA 可以定制以满足特定的硬件要求，使其成为解决机器人独特挑战的理想选择。

它们可以实时数据处理、低延迟决策以及对各种机器人功能的高效控制。在本文中，我们将探讨 FPGA 如何通过推动自动化进步和突破机器人能力的界限来彻底改变机器人技术。

为什么机器人要采用 FPGA？

FPGA（现场可编程门阵列）以其独特的灵活性、实时处理和并行计算能力组合成为先进机器人系统的关键推动因素。与遵循预定义架构的传统处理器（如 CPU 和 GPU）不同，FPGA 允许开发人员配置硬件以满足特定的应用需求。这种适应性使它们特别适合机器人面临的苛刻任务，在这些任务中，精度、速度和实时响应至关重要。

1.并行处理能力

FPGA 的突出优势之一是能够同时执行多个操作。在机器人系统中，机器人系统通常依赖于各种传感器（例如摄像头、激光雷达或 IMU）的输入，这种并行性使 FPGA 能够实时处理大量数据。这种能力在物体检测、自主导航和运动控制等应用中至关重要，因为即使是最轻微的延迟也会影响机器人的性能。

2. 实时应用的低延迟

FPGA 专为低延迟处理而设计，这意味着它们可以以最小的延迟处理任务。在机器人技术中，这对于实时控制系统至关重要，因为机器人必须对不断变化的环境做出即时反应。例如，在自主无人机或机械臂中，FPGA 处理来自传感器的即时反馈，以确保平稳导航或精确移动，避开潜在障碍物或以瞬间精度进行微调。

3.可定制的硬件

FPGA 提供的定制化程度是传统处理器无法比拟的。开发人员可以根据特定的机器人任务定制 FPGA 硬件，优化性能、能效或两者兼而有之。这种灵活性允许硬件针对不同的机器人应用进行重新配置，而无需新的物理组件，这在制造业等行业尤其有价值，因为这些行业中的机器人可能需要在运行中适应各种任务。

4. 能源效率

机器人，尤其是移动机器人或无人机，通常在严格的功率限制下运行。与耗电的 CPU 和 GPU 相比，FPGA 在能源效率方面表现出色，使其成为电池供电系统的理想选择。能够设计仅专注于必要功能的硬件架构也可以降低能耗，延长现场机器人的使用寿命。

5. 支持 AI/ML 算法

机器人领域人工智能和机器学习的兴起是 FPGA 用途日益广泛的另一个原因。这些芯片可以高效处理人工智能/机器学习算法，尤其是在基于视觉的任务中，例如物体识别、路径规划或自主决策。通过直接在 FPGA 硬件上实现人工智能模型，开发人员可以实现比基于软件的方法更快的处理速度和响应速度更快的系统。

总之，FPGA 凭借其并行处理能力、低延迟、硬件可定制性、能源效率以及支持 AI/ML 的能力，为机器人技术提供了理想的解决方案。这些优势为先进机器人技术开启了新的可能性，为更智能、更具适应性、更高效的自主系统铺平了道路。

FPGA 在机器人领域的关键应用

FPGA 因其灵活性、实时处理能力和处理复杂计算任务的能力而在各种机器人应用中变得越来越有价值。从自动驾驶汽车到工业自动化，FPGA 使机器人能够精确高效地执行关键任务。以下是 FPGA 在机器人技术中发挥重大影响的一些关键领域。

1. 自主导航与路径规划

自主机器人（例如自动驾驶汽车、无人机和移动机器人）严重依赖激光雷达、雷达、摄像头和超声波探测器等传感器来导航其环境。FPGA 在实时处理来自这些传感器的数据方面发挥着至关重要的作用，使机器人能够检测障碍物、绘制周围环境地图并规划安全、高效的路线。FPGA 能够同时处理来自多个传感器的大型数据集，使其成为速度和准确性至关重要的自主导航系统的理想选择。例如，FPGA 可以使机器人对环境中的动态变化（如移动障碍物或不可预测的地形）做出反应，从而确保安全顺畅的导航。

2.视觉系统和物体识别

从工业检测到自主无人机，基于视觉的系统是许多机器人应用的基础。FPGA 非常适合实现实时图像和视频处理，这对于物体检测、面部识别和深度估计等任务至关重要。FPGA 可以加速视觉系统中使用的 AI 和机器学习算法，使机器人能够以比基于软件的解决方案更快、更准确的速度识别和跟踪物体。此外，FPGA 可以同时处理来自多个摄像头的高分辨率视频流，使其成为需要复杂视觉感知的机器人的强大工具。

3. 机械臂和机械操作

机械臂广泛应用于制造业、汽车业和医疗保健业等行业，用于完成装配、焊接和精密手术等任务。FPGA 是控制这些机器人系统所需的精确运动和协调不可或缺的部分。它们能够实时处理来自传感器的反馈，确保机械臂在执行复杂任务时保持其准确性。FPGA 还可以管理复杂的运动控制算法，使机械臂能够同时高精度地向多个方向移动。这在自动化制造中尤其有用，因为机器人需要以最小的误差处理精细或复杂的装配任务。

4.人机协作机器人（Cobots）

人机协作机器人 (cobot) 旨在与人类在共享工作空间中一起工作。这些机器人必须安全运行并实时响应动态环境。FPGA通过处理来自力传感器、接近传感器和视觉系统的数据，使协作机器人能够快速做出决策。这使得协作机器人能够在人类距离太近时调整其动作或完全停止，从而确保安全协作。FPGA 的可重构性还使协作机器人能够快速适应新任务，为任务频繁变化的行业（例如电子组装或包装）提供灵活性。

5.无人机和空中机器人

在无人机和其他空中机器人系统中，FPGA 提供飞行控制、避障和环境测绘等任务所需的计算能力。FPGA 的并行处理能力使无人机能够实时处理来自摄像头、GPS 和其他传感器的数据，确保飞行稳定和导航准确。FPGA 还提高了用于目标跟踪或地形分析等任务的基于 AI 的算法的效率，使无人机在从农业到监控等各种应用中具有更高的响应速度和可靠性。

FPGA 功能增强机器人技术

FPGA 正日益成为增强机器人系统性能和功能的首选解决方案。其独特功能使其特别适合应对现代机器人技术带来的挑战，例如实时决策、复杂数据处理和能源效率。以下是增强机器人技术并推动自动化创新的关键 FPGA 功能。

1. 并行处理实现实时性能

FPGA 最强大的功能之一是其并行处理能力，这使它们能够同时执行多个操作。这在机器人技术中尤其重要，因为机器人系统通常必须同时处理来自多个传感器（例如 LiDAR、摄像头和陀螺仪）的数据。通过使用 FPGA，机器人可以实时分析和解释大量传感器数据，从而实现更快的决策和更流畅的运行。例如，得益于 FPGA 的并行处理能力，自主机器人可以同时绘制其环境地图、检测障碍物并调整其路径。

2. 针对时间关键型应用程序的低延迟处理

FPGA 以其超低延迟能力而闻名，是时间敏感型机器人应用的理想选择。在工业自动化、无人机和自动驾驶汽车等领域，即使是最轻微的处理延迟也可能导致错误或事故。借助 FPGA，机器人可以实时处理数据并响应环境变化，确保高水平的准确性和可靠性。例如，精密手术或装配线中使用的机械臂受益于此功能，因为它们需要立即对传感器的反馈做出反应，以低延迟地执行精细或高速的任务。

3. 可定制硬件，针对特定应用进行优化

FPGA 的一个显著优势是它们完全可定制，允许开发人员配置硬件以满足特定机器人应用的特定要求。这种灵活性使机器人能够比使用 CPU 或 GPU 等固定架构处理器更高效地执行高度专业化的任务。借助 FPGA，可以定制硬件设计以处理特定算法或数据流，从而优化性能和功耗。在机器人视觉或 AI 驱动控制系统等需要应用自定义逻辑的应用中，FPGA 提供了无与伦比的适应性。

4. 移动机器人的能源效率

功耗是移动和电池供电机器人（如无人机、自动驾驶汽车和服务机器人）的一个关键因素。FPGA 允许设计人员创建针对特定任务优化的硬件架构，从而减少不必要的功耗，从而提供出色的能效。与无论任务如何都运行所有功能的通用处理器不同，FPGA 可以设计为仅激活特定操作所需的组件。这可以降低能耗，延长电池寿命，并使 FPGA 成为需要长时间运行而无需充电的移动机器人系统的理想选择。

5. AI/ML 集成以增强功能

FPGA 非常适合直接在硬件中实现 AI 和机器学习算法，这在机器人技术中越来越重要。使用基于 FPGA 的 AI 解决方案可以显著加速物体检测、面部识别、路径规划和自主决策等任务。借助 FPGA，机器学习模型可以高速处理，同时保持并行处理多个输入的能力。与在 CPU 或 GPU 上运行的基于软件的方法相比，这可以实现更快、更高效的 AI 计算。例如，配备基于 FPGA 的 AI 的机器人可以快速分析视觉数据并实时做出智能决策，从而提高其在动态环境中的整体性能。

6. 可重构性以实现适应性

FPGA 最有价值的特性之一是其可重构性。与固定硬件解决方案不同，FPGA 可以重新编程以适应新任务或更新的要求，而无需更改硬件。这在机器人技术领域尤其有用，因为随着新算法或功能的开发，系统可能需要不断发展。例如，工业机器人可以重新配置以处理不同的生产任务，或者服务机器人可以更新新的 AI 功能而无需更换底层硬件。这种灵活性不仅延长了机器人的使用寿命，还减少了与硬件升级相关的成本和时间。

FPGA 在机器人领域的实际应用案例

FPGA 为复杂和实时任务提供灵活、高性能的解决方案，对机器人行业产生了重大影响。因此，它们被广泛应用于从自动驾驶汽车到工业自动化等多个行业的各种实际应用中。以下是 FPGA 推动机器人创新和效率的一些最突出的用例。

1.汽车自动驾驶

FPGA 在机器人领域最具突破性的应用之一是自动驾驶汽车的开发，包括无人驾驶汽车和送货无人机。这些车辆需要实时处理来自多个传感器（如摄像头、激光雷达、雷达和 GPS）的大量数据，才能安全行驶。FPGA 在这种环境中表现出色，因为它提供并行处理功能，可以同时处理来自各种来源的数据。例如，特斯拉和 Waymo 等公司使用 FPGA 处理传感器数据，以进行物体检测、避障和路径规划，从而使其车辆能够以低延迟做出实时决策。

2.工业自动化和机械臂

在制造业中，FPGA 广泛应用于机械臂，用于组装、焊接和物料搬运等任务。工业机器人需要以高精度和最小误差执行重复性任务，通常在需要根据传感器反馈快速决策的环境中。FPGA 提供这些机器人系统所需的低延迟实时控制，以便对生产线上的变化做出即时反应。例如，汽车制造或电子元件组装中使用的机械臂依靠 FPGA 来管理电机控制、传感器数据处理和精确运动，确保最高的生产力和准确性。

3. 医疗机器人和外科手术系统

在医疗保健领域，FPGA 正被集成到机器人手术系统和辅助设备中，因为它们能够提供精确的控制和实时反馈。达芬奇系统等手术机器人需要极高的精度才能精确、谨慎地执行微创手术。FPGA 使这些机器人能够处理高清摄像头馈送和传感器数据，使外科医生能够以增强的控制和降低的风险执行复杂的手术。此外，FPGA 还用于机器人假肢和康复设备，为患者提供实时运动控制和反馈，以改善活动能力和恢复结果。

4. 用于空中监视和测绘的无人机

FPGA 在用于空中监视、测绘和农业的无人机开发中发挥着至关重要的作用。无人机需要处理来自多个摄像头、GPS 模块和环境传感器的数据，以执行农作物监测、基础设施检查和搜救行动等任务。通过利用 FPGA，无人机可以实时高效地处理这些任务，从而实现更好的导航、物体跟踪和避障。例如，在农业环境中，配备基于 FPGA 的系统的无人机可以快速分析航拍图像，以评估农作物健康状况、检测灌溉问题并提高产量预测。

5. 服务和消费机器人

家庭助理和仓库机器人等服务机器人越来越多地采用 FPGA 来执行涉及实时决策和 AI 驱动交互的任务。这些机器人依靠 FPGA 来处理传感数据，以便在家庭或商业环境中进行物体识别、语音处理和自主导航。例如，亚马逊等公司使用的仓库机器人旨在通过实时导航复杂环境来快速分类、运输和管理库存。FPGA 允许这些机器人处理导航数据并与 AI 算法交互以优化路径，从而提高仓库运营的效率。

6. 航空航天和国防领域的机器人

在航空航天和国防应用中，FPGA 对于在恶劣和关键任务环境中运行的机器人和自主系统至关重要。用于太空探索的机器人、行星探测器和无人军用无人机依靠 FPGA 进行实时数据处理、传感器融合和自主决策。在太空任务中，FPGA 帮助探测器处理来自摄像头和传感器的数据，以导航陌生的地形并根据环境条件做出自主决策。同样，在国防领域，FPGA 用于自主无人机和无人驾驶车辆，以处理实时视频源、雷达数据和通信信号，使这些系统能够在复杂场景中独立运行。