Dzięki przełomom technologicznym i współpracy w całej branży, rok 2025 jest powszechnie uznawany za „Rok Robotyki”. Cała branża robotyki przeżywa dynamiczny rozwój, a zróżnicowane scenariusze zastosowań napędzają zróżnicowane ścieżki technologiczne i zapotrzebowanie zarówno na oprogramowanie, jak i sprzęt. W związku z tym wymagania i metody wdrażania sterowania ruchem w czasie rzeczywistym są zróżnicowane. Wykorzystując dogłębną wiedzę na temat sektora robotyki, firma APQ opracowała ukierunkowane rozwiązania optymalizacji sterowania w czasie rzeczywistym.
01
Różnorodne ścieżki technologii robotycznej i wybór platformy przetwarzania
Dwunożne roboty humanoidalne charakteryzują się konstrukcją przypominającą człowieka, która wyróżnia się zdolnością adaptacji do złożonego terenu i skoordynowanymi działaniami całego ciała. Roboty te zazwyczaj wymagają sterowania w 38–70 osiach ruchu, co oznacza ekstremalnie wysokie wymagania dotyczące czasu rzeczywistego i cykli sterowania do 1000 Hz. APQ wykorzystuje wydajne procesory X86 z oprogramowaniem dostrajającym, aby sprostać tym wymaganiom.
Z kolei roboty kołowe lub bazowe wykorzystują lżejszą konstrukcję podwozia, oferując większe korzyści w zakresie kontroli kosztów, wydajności ruchu i żywotności baterii. Zazwyczaj mają one około 30 stopni swobody i niższe zapotrzebowanie na obliczenia w czasie rzeczywistym, ale są bardziej wrażliwe na zużycie energii. W tej kategorii APQ wykorzystuje energooszczędne i niedrogie platformy, takie jak Intel® N97 lub J6412, do tworzenia kompletnych rozwiązań. Zapewnia to równowagę między wydajnością energetyczną a kosztami, a jednocześnie wykorzystuje bogaty ekosystem programistyczny platformy X86, aby spełnić rygorystyczne wymagania dotyczące wydajności, stabilności, integracji i kompaktowości systemów sterowania w czasie rzeczywistym.
02
Studium przypadku optymalizacji sterowania w czasie rzeczywistym EtherCAT firmy APQ
Tło aplikacji
Roboty kołowe/podstawowe są zazwyczaj wykorzystywane w złożonych systemach sterowania trajektorią, układach wieloosiowych, systemach kierowania wizją i podobnych zastosowaniach. Ich systemy sterowania muszą obsługiwać:
-
Szybka komunikacja magistralna EtherCATdo synchronizowanego sterowania serwomechanizmem
-
Twardy system operacyjny czasu rzeczywistegodla odpowiedzi poniżej milisekundy
-
Kompaktowa konstrukcja przemysłowanadaje się do ciasnych okablowań lub przestrzeni w szafie
-
Porty rozszerzalnew tym wiele portów szeregowych i LAN umożliwiających integrację różnorodnych urządzeń peryferyjnych
Jeden z klientów, rozwijający robota wieloosiowego, wymagał obsługi EtherCAT i wysokiej wydajności w czasie rzeczywistym. Jednak testy z platformą N97 i serwonapędami wykazały, że cykl komunikacji EtherCAT nie mógł osiągnąć wartości poniżej 50 μs, co stanowiło krytyczne wąskie gardło dla produkcji masowej.
Podejście optymalizacji w czasie rzeczywistym
Korzystając z platform N97 i J6412, APQ przeprowadził pełne dostrajanie w czasie rzeczywistym na poziomie systemu. Przykładowy proces dla platformy N97:
1. Przełącz system operacyjny na środowisko Linux Xenomai:
-
Ubuntu 20.04 + jądro Linux 5.15
-
Łatka w czasie rzeczywistym: Xenomai 3.2 (kompatybilna z LinuxCNC)
-
Przetestowano zgodność ze starszymi wersjami klienta (Kernel 4.19 + Xenomai 3.1)
Kroki dostrajania w czasie rzeczywistym:
a) Strojenie BIOS-u
b) Optymalizacja parametrów jądra w czasie rzeczywistym (ECI)
c) Strojenie parametrów linii poleceń (ECI)
d) Głęboka personalizacja na poziomie systemu operacyjnego
e) Pomiary opóźnień/jittera
2. Standardowy przebieg testów w czasie rzeczywistym:
-
Narzędzia:Moduły testowe: opóźnienie, test zegara, LinuxCNC
-
Cele:
-
Opóźnienie: Maksymalne opóźnienie < 40 μs
-
Test zegara: Dryft ≈ 0 (3. kolumna bliska zeru w wyniku)
-
-
Wykonanie:Wiele rund testów obejmujących partie sprzętu (w tym J6412 w celach porównawczych)
Wynik testu:
W środowisku Linux Xenomai czas cyklu sterowania i jitter uległy znacznej poprawie. Opóźnienie utrzymywało się poniżej 40 μs, a dryft zegara podczas testu zbliżył się do zera – spełniając wymagania aplikacji.
Wyniki zastosowań w świecie rzeczywistym
Sterowanie wieloosiowym ramieniem robota
Wyzwanie:
Synchronizowane spawanie 8-osiowe wymagało synchronizacji na poziomie μs; tradycyjne rozwiązania powodowały błędy dryfu i trajektorii.
Optymalizacja:
-
J6412 z Ubuntu 20.04 + Xenomai 3.2
-
4x Gigabit LAN bezpośrednio do serwo EtherCAT
-
Dedykowane rdzenie przetwarzania w czasie rzeczywistym Isolcpus
Wyniki:
-
Precyzja synchronizacji:Dryft zegara ≤ 0,05 μs; Maksymalne odchylenie trajektorii < 0,1 mm
-
Zapewnienie w czasie rzeczywistym:72 godziny ciągłej pracy, szczytowe opóźnienie ≤ 38 μs
-
Redukcja kosztów:O 35% niższy koszt, o 60% mniejsze zużycie energii niż w przypadku rozwiązania i5
Czworonożny robot pies kontrola ruchu
Wyzwanie:
12-stawowe dynamiczne równoważenie wymagało sprzężenia zwrotnego na poziomie μs; opóźnienie w starszym systemie > 100 μs powodowało niestabilność
Optymalizacja:
-
N97 + Xenomai 3.2
-
PREEMPT_RT + łatka ECI
-
Polecenie cmdline wyizolowało 2 rdzenie procesora dla zadań serwo
Wyniki:
-
Niskie opóźnienie:Cykl sterowania w ciągu 500 μs, opóźnienie ≤ 35 μs
-
Krzepkość:W teście odzyskiwania w temperaturze -20°C drgania < ±8μs
-
Możliwość rozbudowy:Czujnik IMU przez M.2; oszczędność energii rzędu 60% w porównaniu z rozwiązaniem opartym na procesorze i3
Opcje wdrożenia
Dla klientów o wysokich umiejętnościach technicznych, skupionych na wydajności w czasie rzeczywistym, APQ zalecaLinux + Xenomaiwdrożenie. Dla użytkowników końcowych, którzy preferują wygodę gotowego rozwiązania, APQ oferuje równieżwstępnie zainstalowane i zoptymalizowane obrazy systemuz dokumentacją debugowania — obniżając bariery wdrażania.
W miarę jak roboty coraz częściej zastępują zadania wykonywane ręcznie,systemy sterowania w czasie rzeczywistym, stabilne i ekonomicznestają się kluczowe dla sukcesu. APQ zaspokaja tę potrzebę, oferując zintegrowane rozwiązania sprzętowo-programowe i będzie nadal rozwijać swoją działalność w zakresie przetwarzania brzegowego robotów i sterowania ruchem, zapewniając większej liczbie klientów przemysłowych stabilne, wydajne i łatwe w integracji platformy wbudowane.
Jeśli jesteś zainteresowany naszą firmą i produktami, możesz skontaktować się z naszym przedstawicielem zagranicznym, Robinem.
Email: yang.chen@apuqi.com
WhatsApp: +86 18351628738
Czas publikacji: 28 lipca 2025 r.