با پیشرفتهای تکنولوژیکی و همکاری در سطح صنعت، سال ۲۰۲۵ به طور گسترده به عنوان "سال رباتیک" شناخته میشود. کل صنعت رباتیک در حال تجربه رشد انفجاری است و سناریوهای کاربردی متنوع، مسیرهای تکنولوژیکی و تقاضاهای متفاوتی را برای نرمافزار و سختافزار به وجود میآورند. در نتیجه، الزامات و روشهای پیادهسازی برای کنترل حرکت در زمان واقعی متفاوت است. APQ با بهرهگیری از درک عمیق از بخش رباتیک، راهحلهای بهینهسازی کنترل در زمان واقعی را توسعه داده است.
01
مسیرهای فناوری رباتیک و انتخاب پلتفرم پردازشی متنوع
رباتهای انساننمای دوپا دارای طراحی شبیه به انسان هستند که از نظر سازگاری با زمینهای پیچیده و عملیات هماهنگ با کل بدن، عالی عمل میکنند. این رباتها معمولاً به 38 تا 70 محور کنترل حرکت نیاز دارند، که به معنای الزامات بسیار بالا در زمان واقعی و چرخههای کنترل تا 1000 هرتز است. APQ از پردازندههای X86 با کارایی بالا و تنظیم نرمافزاری برای برآورده کردن این نیازهای زمان واقعی استفاده میکند.
در مقابل، رباتهای چرخدار یا پایهدار، طراحی شاسی سبکتری را اتخاذ میکنند که مزایای بیشتری در کنترل هزینه، راندمان حرکت و عمر باتری ارائه میدهد. این رباتها معمولاً حدود 30 درجه آزادی دارند و نیاز کمتری به محاسبات بلادرنگ دارند، اما نسبت به مصرف برق حساستر هستند. برای این دسته، APQ از پلتفرمهای کممصرف و کمهزینه مانند Intel® N97 یا J6412 برای ساخت راهحلهای کامل استفاده میکند. این امر، راندمان انرژی و هزینه را متعادل میکند و در عین حال از اکوسیستم توسعه غنی پلتفرم X86 برای برآورده کردن الزامات سختگیرانه برای عملکرد بلادرنگ سیستم کنترل، پایداری، ادغام و فشردگی بهره میبرد.
02
مطالعه موردی بهینهسازی کنترل بلادرنگ EtherCAT از APQ
پیشینه برنامه
رباتهای چرخدار/پایهدار معمولاً در کنترل مسیرهای پیچیده، اتصال چند محوره، حرکت با هدایت بینایی و کاربردهای مشابه استفاده میشوند. سیستمهای کنترل آنها باید از موارد زیر پشتیبانی کنند:
-
ارتباط باس پرسرعت EtherCATبرای کنترل سروو هماهنگ
-
سیستم عامل بلادرنگ سختبرای پاسخ زیر میلی ثانیه
-
طراحی صنعتی فشردهمناسب برای سیم کشی تنگ یا فضای کابینت
-
پورتهای قابل ارتقاشامل چندین پورت سریال و LAN برای ادغام لوازم جانبی متنوع
یکی از مشتریان، که در حال توسعه یک ربات چند محوره بود، به پشتیبانی EtherCAT و عملکرد بالا در زمان واقعی نیاز داشت. با این حال، آزمایش با پلتفرم N97 و درایورهای سروو نشان داد که چرخه ارتباطی EtherCAT نمیتواند به کمتر از 50 میکروثانیه برسد و این یک گلوگاه بحرانی برای تولید انبوه ایجاد میکند.
رویکرد بهینهسازی بلادرنگ
با استفاده از پلتفرمهای N97 و J6412، APQ تنظیم کامل در سطح سیستم را به صورت بلادرنگ اجرا کرد. نمونه فرآیند برای پلتفرم N97:
1. تغییر سیستم عامل به Linux Xenomai Environment:
-
Ubuntu 20.04 + Linux Kernel 5.15
-
پچ بلادرنگ: Xenomai 3.2 (سازگار با LinuxCNC)
-
سازگاری برای نیاز قدیمی مشتری آزمایش شده است (هسته ۴.۱۹ + Xenomai ۳.۱)
مراحل تنظیم در زمان واقعی:
الف) تنظیم بایوس
ب) بهینهسازی پارامتر هسته در زمان واقعی (ECI)
ج) تنظیم پارامتر Cmdline (ECI)
د) سفارشیسازی عمیق در سطح سیستم عامل
ه) اندازهگیریهای تأخیر/لرزش
۲. گردش کار استاندارد تست بلادرنگ:
-
ابزارها:ماژولهای تست تأخیر، کلاکتست، لینوکسCNC
-
اهداف:
-
تأخیر: حداکثر تأخیر <40μs
-
تست ساعت: رانش ≈ 0 (ستون سوم در نتیجه نزدیک به صفر)
-
-
اعدام:چندین دور آزمایش روی دستههای سختافزاری (از جمله J6412 به عنوان مقایسه)
نتیجه آزمایش:
تحت محیط لینوکس Xenomai، زمان چرخه کنترل و لرزش به طور قابل توجهی بهبود یافت. تأخیر در کل زیر 40 میکروثانیه باقی ماند، در حالی که رانش تست ساعت به صفر نزدیک شد - که مطابق با خواستههای برنامه بود.
نتایج کاربرد در دنیای واقعی
کنترل بازوی رباتیک چند محوره
چالش:
جوشکاری همزمان ۸ محوره نیاز به همگامسازی در سطح میکروثانیه داشت؛ راهحلهای سنتی باعث ایجاد خطاهای رانش و مسیر حرکت میشدند.
بهینهسازی:
-
J6412 با اوبونتو 20.04 + Xenomai 3.2
-
۴ پورت گیگابیت LAN مستقیم به سروو موتور EtherCAT
-
هستههای پردازشی بلادرنگ اختصاصی Isolcpus
نتایج:
-
دقت همگامسازی:رانش تست ساعت ≤ 0.05μs؛ حداکثر انحراف مسیر <0.1mm
-
تضمین بلادرنگ:۷۲ ساعت کارکرد مداوم، حداکثر زمان تأخیر ≤ ۳۸ میکروثانیه
-
کاهش هزینه:۳۵٪ هزینه کمتر، ۶۰٪ مصرف برق کمتر نسبت به پردازنده i5
کنترل حرکت سگ ربات چهارپا
چالش:
بالانس دینامیکی ۱۲ مفصله به بازخورد در سطح میکروثانیه نیاز داشت؛ تأخیر سیستم قدیمی > ۱۰۰ میکروثانیه باعث بیثباتی میشد
بهینهسازی:
-
ان۹۷ + زنومای ۳.۲
-
پچ PREEMPT_RT + ECI
-
Cmdline دو هسته CPU را برای وظایف سروو ایزوله کرده است
نتایج:
-
تأخیر کم:چرخه کنترل در عرض 500 میکروثانیه، تأخیر ≤ 35 میکروثانیه
-
استحکام:در تست بازیابی -20 درجه سانتیگراد، لرزش <±8μs
-
قابلیت توسعه:حسگر IMU از طریق M.2؛ 60٪ صرفهجویی در مصرف برق نسبت به راهکار مبتنی بر i3
گزینههای استقرار
برای مشتریانی که از نظر فنی توانمند هستند و بر عملکرد بلادرنگ تمرکز دارند، APQ توصیه میکندلینوکس + زنومایاستقرار. برای کاربران نهایی که راحتی آماده به کار را ترجیح میدهند، APQ همچنین ارائه میدهدایمیجهای سیستم از پیش نصب شده و بهینه شدهبا مستندات اشکالزدایی - کاهش موانع استقرار.
همانطور که رباتها به طور فزایندهای جایگزین کارهای دستی میشوند،سیستمهای کنترل بلادرنگ، پایدار و مقرونبهصرفهبرای موفقیت حیاتی میشوند. APQ این نیاز را از طریق راهکارهای یکپارچه سختافزار-نرمافزار برآورده میکند و به تعمیق تمرکز خود بر محاسبات لبه رباتیک و کنترل حرکت ادامه خواهد داد - و مشتریان صنعتی بیشتری را با پلتفرمهای تعبیهشده پایدار، کارآمد و به راحتی یکپارچه توانمند میسازد.
اگر به شرکت و محصولات ما علاقهمند هستید، با نماینده ما در خارج از کشور، رابین، تماس بگیرید.
Email: yang.chen@apuqi.com
واتساپ: +۸۶ ۱۸۳۵۱۶۲۸۷۳۸
زمان ارسال: ۲۸ ژوئیه ۲۰۲۵