TI 應(yīng)用處理器的第三方硬件模塊簡(jiǎn)化機(jī)器人設(shè)計(jì)

當(dāng)今對(duì)于機(jī)器人自動(dòng)化水平的要求越來(lái)越高，機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要努力滿足這樣的需求，因此他們面臨著日益增長(zhǎng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。這種復(fù)雜性增加趨勢(shì)在與人類緊密協(xié)作的機(jī)器人領(lǐng)域尤為明顯，比如協(xié)作機(jī)器人 (cobot) 和自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR)，如[圖 1] 所示。為了確保機(jī)器人在與人類接觸和靠近人類的情況下可靠運(yùn)行，這些機(jī)器人需要更多的電子元件。因此，這些機(jī)器人中的嵌入式處理器變得越來(lái)越復(fù)雜，必須分析和響應(yīng)系統(tǒng)中不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)以支持感知、導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)控制等功能。

圖 1 倉(cāng)庫(kù)環(huán)境中的自主移動(dòng)機(jī)器人

在使用這些嵌入式處理器時(shí)，一些公司不具備開(kāi)發(fā)硬件和軟件所需的內(nèi)部資源和專業(yè)知識(shí)，無(wú)法從一開(kāi)始就為其系統(tǒng)中的處理器提供全面支持。另一方面，擁有更多內(nèi)部資源和專業(yè)知識(shí)的公司需要投入大量時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)硬件和軟件資源，而這些時(shí)間和資源本來(lái)可以更好地用于進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。

為了降低設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜性，設(shè)計(jì)人員可以選擇與德州儀器 (TI) 及其廣泛的第三方合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)合作，直接利用合作伙伴專門(mén)提供的“可直接部署的”硬件元件。TI 還提供有助于進(jìn)一步簡(jiǎn)化機(jī)器人應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件和設(shè)計(jì)資源，包括可用于開(kāi)發(fā)、評(píng)測(cè)和部署人工智能 (AI) 模型的軟件開(kāi)發(fā)套件和基于云的易用工具。

本文將探討機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如何借助 TI 廣泛而成熟的第三方網(wǎng)絡(luò)以及 TI 提供的設(shè)計(jì)資源和易于使用的軟件來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程并加快產(chǎn)品上市步伐。

盡管許多機(jī)器人系統(tǒng)都將受益于“可直接部署的”硬件資源，尤其是用于電機(jī)控制、通信和功能安全的硬件資源，但本文將重點(diǎn)說(shuō)明適用于視覺(jué)處理應(yīng)用的資源，并著重介紹 TI 的幾個(gè)硬件合作伙伴。請(qǐng)?jiān)L問(wèn) TI [合作伙伴目錄](méi)，了解有關(guān) TI 合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)的更多信息。

借助 TI 應(yīng)用處理器的第三方硬件模塊簡(jiǎn)化機(jī)器人設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代制造業(yè)和全球供應(yīng)鏈需要提高生產(chǎn)率和控制力，協(xié)作機(jī)器人和 AMR 越來(lái)越受歡迎。特別是在制造環(huán)境中，這些機(jī)器人可以加強(qiáng)與人類和其他機(jī)器人的協(xié)作，以提高運(yùn)行效率，同時(shí)還能讓人類專注于優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)。

雖然這些機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)可能簡(jiǎn)單明了，但其設(shè)計(jì)可能很復(fù)雜，尤其是實(shí)施在網(wǎng)絡(luò)邊緣使用分析功能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的視覺(jué)處理系統(tǒng)時(shí)。開(kāi)發(fā)攝像頭模塊并隨后在協(xié)作機(jī)器人和 AMR 中測(cè)試和部署 AI 模型需要花費(fèi)大量時(shí)間，而且需要特定的編程專業(yè)知識(shí)和專業(yè)軟件。

為了在空間受限的基于 Arm? 的設(shè)計(jì)中加快視覺(jué)處理的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)人員可以使用 TI 的第三方硬件合作伙伴提供的模塊，例如 TechNexion ROVY-4VM 模塊上系統(tǒng) (SoM)、Congatec 智能移動(dòng)架構(gòu) (SMARC) 模塊 conga-STDA4、BeagleBone AI-64? 和 Arducam V3Link? 攝像頭套件。TechNexion、Congatec 和 BeagleBone 模塊基于 [TDA4VM 處理器]，該處理器采用異構(gòu)架構(gòu)，具有雙 Arm Cortex?-A72、DSP 和加速器，適合用于在基于視覺(jué)的應(yīng)用中進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

TechNexion ROVY-4VM

通過(guò)使用 TechNexion ROVY-4VM 等 SoM，設(shè)計(jì)人員可以圍繞一個(gè)能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程的模塊來(lái)開(kāi)發(fā)其 AMR 產(chǎn)品。ROVY-4VM 在經(jīng)過(guò)全面測(cè)試并可立即投入生產(chǎn)的單個(gè) PCB 上集成了處理器、電源管理 IC (PMIC) 和存儲(chǔ)器（DDR、UFS、SPI NOR 閃存），處理器的所有其余外設(shè)采用方便的板對(duì)板高密度互連 (HDI) 布線。雖然設(shè)計(jì)人員可以從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)具有所需功能的載板，但更方便的做法是利用 TechNexion 開(kāi)發(fā)的 [ROVY-4VM-EVK]，這是用于 ROVY-4VM 的完整 AMR 專用套件（如[圖 2] 的 AMR 演示所示）。該套件可用作快速實(shí)現(xiàn)所需功能的參考設(shè)計(jì)，例如使用 FPD-Link? III 技術(shù)添加多達(dá) 8 個(gè)即插即用攝像頭 ([TECHN-3P-VLS3-X-SL])，添加顯示屏（也使用 FPDLink III），使用標(biāo)準(zhǔn)或單線對(duì)以太網(wǎng)來(lái)擴(kuò)展以太網(wǎng)端口，以及使用易于實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn) USB3/Gb 以太網(wǎng)端口進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

圖 2 具有底盤(pán)的 TechNexion“Rovybot”AMR 演示 (ROVY-4VM-EVK)

Congatec conga-STDA4

借助 [conga-STDA4]，設(shè)計(jì)人員可以利用 SGeT 的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn) SMARC 模塊外形和引腳排列來(lái)增強(qiáng)功能安全等特性，并利用基于 ARM 的處理器和基于 Linux 的軟件來(lái)添加本機(jī)分析功能。如今，工廠自動(dòng)化中使用的許多工業(yè)應(yīng)用都基于 SMARC 模塊。作為得到眾多開(kāi)發(fā)人員支持的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)，SMARC 外形便于設(shè)計(jì)，并且可在不同設(shè)計(jì)之間進(jìn)行擴(kuò)展，因?yàn)楝F(xiàn)有載板的某些方面可以重復(fù)使用，例如載板布線以及用于 DIN 軌安裝式 IPC 的外設(shè)集，通常只需要簡(jiǎn)單交換模塊即可。因此，易用性將得到增強(qiáng)，有助于設(shè)計(jì)人員更輕松地更新現(xiàn)有設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)總成本和尺寸，同時(shí)還可利用 TDA4VM 處理器的高級(jí)功能集。

BeagleBone AI-64 和 ArduCam

[BeagleBoard.org 基金會(huì)]的 [BeagleBone AI-64]是機(jī)器人系統(tǒng)視覺(jué)處理早期開(kāi)發(fā)的另一種選擇。[BEAGL-BONE-AI-64] 是一個(gè)基于 TDA4VM 的完整系統(tǒng)，可以使用 Debian 操作系統(tǒng)，并能夠與來(lái)自 [ArduCam]的 [ARDCM-3P-V3LINK-CAM V^3^Link 攝像頭套件]相結(jié)合（如[圖 3]所示），從而簡(jiǎn)化視覺(jué)處理設(shè)計(jì)，并幫助設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)如何控制機(jī)器人。對(duì)于 Raspberry Pi 生態(tài)系統(tǒng)的用戶來(lái)說(shuō)，[Beagle AI?]（基于 [AM67A 處理器]）可能會(huì)更熟悉，也可以和 ArduCam 套件兼容，以便快速開(kāi)發(fā)和測(cè)試適用于其特定應(yīng)用的多攝像頭視覺(jué)處理。

圖 3 ArduCam V ^3^Link 攝像機(jī)套件

利用直觀的軟件和開(kāi)發(fā)資源簡(jiǎn)化機(jī)器人視覺(jué)處理

除了“可直接部署的”硬件外，機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還需要使用對(duì)用戶友好的直觀軟件來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程。此軟件可實(shí)現(xiàn)更高效的任務(wù)控制、協(xié)調(diào)和執(zhí)行。軟件越直觀，工程師就越容易進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、編程和故障排除。

對(duì)用戶友好的軟件可減少學(xué)習(xí)時(shí)間，使工程師能夠更專注于應(yīng)用的功能，而不是糾結(jié)于復(fù)雜的軟件界面或接受額外培訓(xùn)。當(dāng)使用 TI 處理器進(jìn)行視覺(jué)處理設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用一整套軟件、基于網(wǎng)絡(luò)的工具和開(kāi)發(fā)資源，包括：

• [適用于 TDA4VM 的軟件開(kāi)發(fā)套件 (SDK)]適用于 TDA4VM 的 SDK 是一個(gè)統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，可在不同的片上系統(tǒng) (SoC) 器件之間進(jìn)行擴(kuò)展，從而簡(jiǎn)化實(shí)施和代碼重用。該 SDK 提供了靈活的軟件平臺(tái)，可幫助簡(jiǎn)化和加快具有 AI 驅(qū)動(dòng)視覺(jué)處理功能和實(shí)時(shí)處理功能的機(jī)器人應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。該 SDK 附帶廣泛的文檔和一整套軟件，包括驅(qū)動(dòng)程序、中間件和應(yīng)用程序示例，可大幅加快機(jī)器人應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。
• [適用于 TDA4VM 和 AM6xA 應(yīng)用處理器的 TI Robotics 軟件開(kāi)發(fā)套件 (SDK)]TI Robotics SDK 旨在支持基于 TDA4VM 和 AM6xA 應(yīng)用處理器進(jìn)行機(jī)器人應(yīng)用開(kāi)發(fā)。該 SDK 具有軟件組件、庫(kù)和工具，旨在加快機(jī)器人應(yīng)用（包括實(shí)時(shí)控制、3D 圖形、圖像和視頻處理）的開(kāi)發(fā)。此外，還包括一些示例和文檔，可幫助開(kāi)發(fā)人員快速開(kāi)始開(kāi)發(fā)。
• [Edge AI Studio]Edge AI Studio 是一系列基于網(wǎng)絡(luò)的工具的集合，旨在簡(jiǎn)化和加快邊緣 AI 應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。該工具集提供了一個(gè)對(duì)用戶友好的界面，方便基于 TI 處理器進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)模型的開(kāi)發(fā)、培訓(xùn)和部署。如果設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員正在開(kāi)發(fā)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的 AI 應(yīng)用，Edge AI Studio 中的 Model Composer、Model Analyzer 和 Model Maker 工具非常有用。
  Edge AI Studio 為使用遠(yuǎn)程 TI 硬件開(kāi)發(fā) AI 應(yīng)用提供了簡(jiǎn)化的圖形界面，對(duì)于在機(jī)器學(xué)習(xí)模型開(kāi)發(fā)方面沒(méi)有豐富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員而言非常有用。此外，還提供預(yù)先訓(xùn)練的模型，并允許對(duì)這些模型進(jìn)行定制。

結(jié)語(yǔ)

在嵌入式處理器和支持這些處理器的第三方硬件方面的創(chuàng)新將繼續(xù)推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。雖然我們已經(jīng)在各行各業(yè)中見(jiàn)識(shí)了其中一些功能，但利用先進(jìn)的視覺(jué)處理組件來(lái)實(shí)時(shí)處理和分析大量視覺(jué)數(shù)據(jù)的能力將有助于機(jī)器人更可靠、更安全地對(duì)瞬間決策做出反應(yīng)，并適應(yīng)動(dòng)態(tài)情況。從工廠和倉(cāng)庫(kù)中與人類密切合作的協(xié)作機(jī)器人，到可以在城市街道上安全行駛并運(yùn)送貨物的自動(dòng)駕駛汽車和無(wú)人機(jī)，機(jī)器人將持續(xù)革新我們世界的運(yùn)作方式。

審核編輯 黃宇