现场可编程门阵列设计的机器人应用通用硬件架构。信用:Podlubne等人的机器人变得越来越复杂和先进，它们通常需要越来越多的硬件组件，包括机器人的肢体、电机、传感器和执行器。此外，机器人集成了计算机，可以处理传感器收集的数据，并据此规划未来的行动。然而，目前在这些计算机上运行的大多数软件解决方案并不理想，因为它们的速度限制使它们无法实时处理特别大的数据量。增强集成在机器人内部的计算机能力的一种可能方法是使用现场可编程门阵列(FPGAs)，这是一种基于可配置逻辑块矩阵的半导体器件，这些逻辑块通过可编程互连连接。
这些设备的一个显著优点是，它们可以重新编程以适应特定的应用。平板电脑可以显著提高机器人的计算能力，同时也使它们更适合特定的应用。然而，将它们整合到现有系统中迄今为止被证明是极具挑战性的，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。
德累斯顿技术大学(TUD)的研究人员最近开发了一种技术，该技术可以开发集成了众多硬件加速器的机器人。这项技术发表在IEEE Access上的一篇论文中，最终可能有助于用基于FPGAs的组件替换为机器人系统供电的现有软件组件。
“这项工作是在CeTI项目的背景下进行的，该项目旨在加强人类和机器之间的合作，或者更一般地说，在真实、虚拟和远程环境中的网络物理系统(CPS)，”进行这项研究的研究人员之一阿里尔·波德鲁本(Ariel Podlubne)告诉TechXplore。"特别是，它是一个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."
波德鲁班和他的同事们的新研究是他们先前研究的延伸，该研究探索了将平板气体集成到机器人系统中的可能方法。他们提出的方法对与机器人操作系统(ROS)、ROS2操作系统和潜在的其他软件解决方案相关的消息特性进行了彻底的分析。然后，它使用该分析的结果来生成机器人系统的硬件接口和架构。
复杂的分阶段模型驱动代码生成工具链用于生成硬件接口。信用:Podlubne et a . l .“我们的工作证明了根据机器人专家的已知规范(ROS消息)，从应用程序的简单描述中生成复杂的基于FPGA的系统的能力，”Podlubne说。“这样一来，机器人系统的部分部件就可以被FPGA取代，从而创造出性能更好、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，仅排除加速器逻辑，加速器逻辑需要由开发系统的开发人员进行编程。因此，新方法可以显著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可能是一项麻烦的任务。
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。然而，他们随后能够扩展其功能，使其也支持ROS2操作系统。
“一个补充的努力是测试基础设施，”波德鲁班说。“除了一些用例之外，我们更进一步评估了所有现有的ROS消息。这被证明是非常有用的，因为开发过程需要多次迭代才能得到一个健壮的解决方案。我们的目标是实现对ROS/ROS2的全面支持，我们的测试基础设施使我们能够捕捉bug，并为我们的研究建立信心。”
在未来，这种方法可以为基于FPGAs开发性能更好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。
“我们接下来的研究将专注于扩展工具链，以自动插入FPGA加速器(在那里执行计算)，并包括动态部分重新配置(DPR)，根据当前部署的应用程序的需求，动态更改加速器，”波德鲁本补充道。
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