Với những đột phá công nghệ và sự hợp tác rộng khắp ngành, năm 2025 được xem là “Năm của Robot”. Toàn bộ ngành công nghiệp robot đang trải qua sự tăng trưởng bùng nổ, với nhiều kịch bản ứng dụng đa dạng thúc đẩy các hướng đi công nghệ khác nhau và nhu cầu đối với cả phần mềm và phần cứng. Do đó, các yêu cầu và phương pháp triển khai điều khiển chuyển động thời gian thực cũng khác nhau. Tận dụng sự hiểu biết sâu sắc về lĩnh vực robot, APQ đã phát triển các giải pháp tối ưu hóa điều khiển thời gian thực chuyên biệt.
01
Các hướng đi công nghệ robot khác nhau và lựa chọn nền tảng xử lý
Robot hình người hai chân có thiết kế giống người, vượt trội về khả năng thích ứng với địa hình phức tạp và các hoạt động phối hợp toàn thân. Những robot này thường yêu cầu điều khiển chuyển động từ 38 đến 70 trục, điều này có nghĩa là yêu cầu về thời gian thực cực kỳ cao và chu kỳ điều khiển lên đến 1000Hz. APQ sử dụng bộ xử lý X86 hiệu năng cao với phần mềm được tinh chỉnh để đáp ứng các yêu cầu thời gian thực này.
Ngược lại, robot bánh xe hoặc robot đế có thiết kế khung gầm nhẹ hơn, mang lại nhiều lợi thế hơn về kiểm soát chi phí, hiệu quả chuyển động và tuổi thọ pin. Chúng thường có khoảng 30 bậc tự do và yêu cầu tính toán thời gian thực thấp hơn, nhưng lại nhạy cảm hơn với mức tiêu thụ điện năng. Đối với loại này, APQ sử dụng các nền tảng công suất thấp, chi phí thấp như Intel® N97 hoặc J6412 để xây dựng các giải pháp hoàn chỉnh. Điều này cân bằng giữa hiệu quả năng lượng và chi phí, đồng thời tận dụng hệ sinh thái phát triển phong phú của nền tảng X86 để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu suất thời gian thực, độ ổn định, tích hợp và tính nhỏ gọn của hệ thống điều khiển.
02
Nghiên cứu trường hợp tối ưu hóa điều khiển thời gian thực EtherCAT của APQ
Bối cảnh ứng dụng
Robot bánh xe/có đế thường được sử dụng trong điều khiển quỹ đạo phức tạp, liên kết đa trục, chuyển động dẫn hướng bằng thị giác và các ứng dụng tương tự. Hệ thống điều khiển của chúng phải hỗ trợ:
-
Giao tiếp bus tốc độ cao EtherCATđể điều khiển servo đồng bộ
-
Hệ điều hành thời gian thực cứngđể có phản hồi dưới mili giây
-
Thiết kế công nghiệp nhỏ gọnThích hợp cho việc đi dây hoặc không gian tủ chật hẹp.
-
Cổng mở rộngbao gồm nhiều cổng nối tiếp và cổng LAN để tích hợp thiết bị ngoại vi đa dạng.
Một khách hàng, đang phát triển robot đa trục, yêu cầu hỗ trợ EtherCAT và hiệu năng thời gian thực cao. Tuy nhiên, thử nghiệm với nền tảng N97 và bộ điều khiển servo cho thấy chu kỳ giao tiếp EtherCAT không thể đạt dưới 50μs, tạo ra nút thắt cổ chai nghiêm trọng cho sản xuất hàng loạt.
Phương pháp tối ưu hóa thời gian thực
Sử dụng nền tảng N97 và J6412, APQ đã thực hiện tinh chỉnh toàn hệ thống theo thời gian thực. Ví dụ về quy trình cho nền tảng N97:
1. Chuyển hệ điều hành sang môi trường Linux Xenomai:
-
Ubuntu 20.04 + Nhân Linux 5.15
-
Bản vá thời gian thực: Xenomai 3.2 (tương thích với LinuxCNC)
-
Đã kiểm tra khả năng tương thích với nhu cầu hệ thống cũ của khách hàng (Kernel 4.19 + Xenomai 3.1)
Các bước điều chỉnh theo thời gian thực:
a) Điều chỉnh BIOS
b) Tối ưu hóa tham số nhân thời gian thực (ECI)
c) Điều chỉnh tham số dòng lệnh (ECI)
d) Tùy chỉnh chuyên sâu ở cấp độ hệ điều hành
e) Đo độ trễ/độ dao động
2. Quy trình kiểm thử thời gian thực tiêu chuẩn:
-
Công cụ:Độ trễ, Kiểm tra đồng hồ, Mô-đun kiểm tra LinuxCNC
-
Mục tiêu:
-
Độ trễ: Độ trễ tối đa < 40μs
-
Kiểm tra đồng hồ: Độ trôi ≈ 0 (cột thứ 3 gần bằng 0 trong kết quả)
-
-
Thực thi:Nhiều vòng thử nghiệm trên các lô phần cứng khác nhau (bao gồm cả J6412 để so sánh).
Kết quả kiểm tra:
Trong môi trường Linux Xenomai, thời gian chu kỳ điều khiển và độ trễ được cải thiện đáng kể. Độ trễ duy trì dưới 40μs trong suốt quá trình, trong khi độ lệch kiểm tra xung nhịp tiến gần đến 0 — đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng.
Kết quả ứng dụng thực tiễn
Điều khiển cánh tay robot đa trục
Thử thách:
Hàn đồng bộ 8 trục yêu cầu độ chính xác đồng bộ ở mức micro giây; các giải pháp truyền thống gây ra hiện tượng trôi lệch và sai số quỹ đạo.
Tối ưu hóa:
-
J6412 với Ubuntu 20.04 + Xenomai 3.2
-
4 cổng LAN Gigabit kết nối trực tiếp với bộ điều khiển EtherCAT.
-
các lõi xử lý thời gian thực chuyên dụng Isolcpus
Kết quả:
-
Độ chính xác đồng bộ:Độ trôi của Clocktest ≤ 0,05μs; Độ lệch quỹ đạo tối đa < 0,1mm
-
Đảm bảo theo thời gian thực:Hoạt động liên tục 72 giờ, độ trễ tối đa ≤ 38μs
-
Giảm chi phí:Chi phí thấp hơn 35%, điện năng tiêu thụ ít hơn 60% so với giải pháp i5.
Điều khiển chuyển động của chó robot bốn chân
Thử thách:
Cần cân bằng động 12 khớp với phản hồi ở mức micro giây; độ trễ của hệ thống cũ > 100 micro giây gây ra sự không ổn định.
Tối ưu hóa:
-
N97 + Xenomai 3.2
-
Bản vá PREEMPT_RT + ECI
-
Lệnh dòng lệnh đã tách biệt 2 lõi CPU cho các tác vụ điều khiển servo.
Kết quả:
-
Độ trễ thấp:Chu kỳ điều khiển trong vòng 500μs, độ trễ ≤ 35μs
-
Độ bền vững:Trong thử nghiệm phục hồi ở -20°C, độ nhiễu tín hiệu < ±8μs
-
Khả năng mở rộng:Cảm biến IMU thông qua M.2; tiết kiệm 60% điện năng so với giải pháp dựa trên i3.
Tùy chọn triển khai
Đối với các khách hàng có năng lực kỹ thuật cao và tập trung vào hiệu suất thời gian thực, APQ khuyến nghị:Linux + Xenomaitriển khai. Đối với người dùng cuối ưa thích sự tiện lợi khi sử dụng ngay, APQ cũng cung cấphình ảnh hệ thống được cài đặt sẵn và tối ưu hóaVới tài liệu hướng dẫn gỡ lỗi — giúp giảm thiểu rào cản triển khai.
Khi robot ngày càng thay thế các công việc thủ công,hệ thống điều khiển thời gian thực, ổn định và tiết kiệm chi phíĐiều này trở nên vô cùng quan trọng đối với sự thành công. APQ đang đáp ứng nhu cầu này thông qua các giải pháp phần cứng-phần mềm tích hợp và sẽ tiếp tục tập trung sâu hơn vào điện toán biên robot và điều khiển chuyển động — trao quyền cho nhiều khách hàng công nghiệp hơn với các nền tảng nhúng ổn định, hiệu quả và dễ dàng tích hợp.
Nếu bạn quan tâm đến công ty và sản phẩm của chúng tôi, vui lòng liên hệ với đại diện nước ngoài của chúng tôi, Robin.
Email: yang.chen@apuqi.com
WhatsApp: +86 18351628738
Thời gian đăng bài: 28/7/2025