自動(dòng)化是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)施的核心支柱，而機(jī)器人技術(shù)則是推動(dòng)其發(fā)展的催化劑。當(dāng)下，由人工智能（AI）驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人技術(shù)正飛速發(fā)展，推動(dòng)著規(guī)模更大、技術(shù)更先進(jìn)的工業(yè)部署。然而，隨著自動(dòng)化系統(tǒng)在工業(yè)場景中的應(yīng)用范圍和規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳感器數(shù)據(jù)的收集、聚合與分析工作也變得愈發(fā)困難。

每新增一個(gè)傳感器，就會為系統(tǒng)帶來更多信號、數(shù)據(jù)和需求，同時(shí)也增加了風(fēng)險(xiǎn)。規(guī)模更大、設(shè)計(jì)更復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理量更多的系統(tǒng)，本身就更容易出現(xiàn)錯(cuò)誤、滯后、時(shí)延和安全漏洞。盡管人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）模型有助于簡化機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的操作，但將其集成到這些系統(tǒng)中本身就是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大、自主性不斷增強(qiáng)、整體互聯(lián)性不斷提高，黑客可利用的潛在攻擊點(diǎn)數(shù)量也隨之激增。為了應(yīng)對不斷演變的威脅態(tài)勢，開發(fā)者需要審視支撐這些分布式程度不斷提高的自動(dòng)化系統(tǒng)的底層硬件。

傳感器融合的必要性

如今，自動(dòng)化工業(yè)設(shè)施的可靠運(yùn)行在很大程度上依賴于傳感器融合：即整合并處理來自各種傳感器、設(shè)備和流程的數(shù)據(jù)，對信號進(jìn)行情境化處理以提高準(zhǔn)確性、可視性和針對性。傳感器融合有助于優(yōu)化并提升分析工具的價(jià)值及其提供的預(yù)測性見解，確保最小化停機(jī)時(shí)間，同時(shí)提高整體吞吐量和效率。

當(dāng)代人工智能和機(jī)器人領(lǐng)域的專業(yè)人士已然認(rèn)識到，傳感器融合是推動(dòng)先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)向邊緣端延伸的關(guān)鍵所在。它是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力的關(guān)鍵使能因素，而84%的該領(lǐng)域?qū)I(yè)人士認(rèn)為實(shí)時(shí)響應(yīng)能力對系統(tǒng)性能而言較為關(guān)鍵或非常關(guān)鍵。當(dāng)與精密電機(jī)控制、功能安全和安全措施相結(jié)合時(shí)，傳感器融合有助于解決設(shè)計(jì)自動(dòng)化機(jī)器人系統(tǒng)面臨的許多關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

遺憾的是，部署過程中仍存在重大挑戰(zhàn)。以攝像頭與激光雷達(dá)傳感器的融合為例：盡管 75.7% 的受訪行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者表示青睞這種傳感器融合方案，但僅有 67.5% 的企業(yè)成功部署了攝像頭–激光雷達(dá)融合系統(tǒng)。這一差距折射出，當(dāng)前仍存在許多技術(shù)落地的障礙，阻礙著機(jī)器人自動(dòng)化的高效普及。

當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)

無論涉及的具體傳感器和人工智能模型是什么，工程師都需要支持先進(jìn)自動(dòng)化機(jī)器人應(yīng)用的大量組件，這本身就是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。目前，工程師尚未完全攻克的三大技術(shù)落地壁壘包括：

-   集成

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)十分復(fù)雜，需要連接眾多執(zhí)行各種任務(wù)的先進(jìn)傳感器。將這些系統(tǒng)的各個(gè)部分連接起來并確保其可用性，需要芯片級別的靈活輸入/輸出（I/O）和高性能，這對許多通用組件來說是一個(gè)大問題。盡管如今的處理器使用先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)來縮小晶體管尺寸、提高性能并降低芯片裸片尺寸和成本，但這也造成了I/O方面的更多限制，且難以靈活兼容傳統(tǒng)的連接需求。

-   數(shù)字孿生與校準(zhǔn)

許多工業(yè)設(shè)施依靠這類系統(tǒng)，通過將高精度、關(guān)鍵任務(wù)自動(dòng)化來減少人為失誤，而任何不同步或連接中斷的情形都會產(chǎn)生負(fù)面影響。這就要求每臺機(jī)器人的內(nèi)部參數(shù)與物理動(dòng)作，都必須與其數(shù)字模型實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)匹配。但遺憾的是，環(huán)境及其他各類因素均會影響機(jī)器人的運(yùn)行精度，因此必須持續(xù)監(jiān)控和維護(hù)校準(zhǔn)。

-   成本與功耗

構(gòu)建搭載人工智能技術(shù)的智能機(jī)器人，其前期投入成本與后續(xù)運(yùn)維成本均掣肘了這項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模普及。支撐這類系統(tǒng)運(yùn)行所需的專用傳感器價(jià)格高昂，而額外產(chǎn)生的能源消耗、算力投入以及模型訓(xùn)練等多項(xiàng)開支，也構(gòu)成了新的阻礙。自主機(jī)器人還面臨著在滿足極高計(jì)算能力需求的同時(shí)，優(yōu)化功耗并延長運(yùn)行時(shí)間的挑戰(zhàn)。

要推動(dòng)人工智能輔助機(jī)器人技術(shù)的大規(guī)模普及，設(shè)計(jì)人員需要找到相應(yīng)方法，在不犧牲速度、算力與效率的前提下，簡化并優(yōu)化基于傳感器的邊緣架構(gòu)。這一進(jìn)程需從底層架構(gòu)著手，借助現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）這類專用組件，探索構(gòu)建邊緣設(shè)備的全新方案。

FPGA如何支持傳感器融合

事實(shí)證明，FPGA是設(shè)計(jì)和部署高性能機(jī)器人解決方案的得力工具。它們能夠提供傳感器融合處理所需的低延遲、同步且確定性的性能表現(xiàn)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)常規(guī)處理器難以企及的低功耗水平。此外，F(xiàn)PGA 還能滿足功能安全、安全防護(hù)與設(shè)計(jì)靈活性等核心需求，并且體積小巧、能效出眾。然而，這些特性僅僅是其推動(dòng)人工智能機(jī)器人自動(dòng)化大規(guī)模落地的冰山一角，其潛在價(jià)值遠(yuǎn)不止于此。

FPGA 憑借其獨(dú)有的復(fù)合型能力，為傳感器融合的主要挑戰(zhàn)提供了一種優(yōu)質(zhì)解決方案。這類芯片的核心優(yōu)勢在于并行處理能力，能夠同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)。通過同時(shí)進(jìn)行信號處理、對齊、傳感器融合，并結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺與邊緣人工智能，F(xiàn)PGA芯片將部分任務(wù)從主計(jì)算組件中剝離出來，以達(dá)到降低系統(tǒng)延遲與處理壓力，并拓展設(shè)備的運(yùn)行能力的目的。這一特性能夠顯著加速各類關(guān)鍵任務(wù)的處理速度，提升機(jī)器人系統(tǒng)的精準(zhǔn)度與決策效率，最終實(shí)現(xiàn)更可靠、穩(wěn)定、精確且高效的實(shí)時(shí)運(yùn)行。

FPGA還解決了上文提到的I/O-算力矛盾，提供了高度可定制的I/O和靈活的協(xié)議支持。這使其能夠與支持以太網(wǎng)、SPI、LVDS、CAN、MIPI、JESD-204B和GPIO等通用標(biāo)準(zhǔn)的各類傳感器和執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)互操作。這些芯片通過最大限度降低延遲、提供確定性的低功耗處理能力，同時(shí)分擔(dān)傳感器融合、計(jì)算機(jī)視覺以及物理人工智能的工作負(fù)載，有助于解決常見的計(jì)算和功耗難題，進(jìn)而全面提升系統(tǒng)整體性能，拓展設(shè)備的運(yùn)行能力。

顧名思義，這些半導(dǎo)體不僅在設(shè)計(jì)階段具有靈活性。FPGA可以在部署后進(jìn)行更新，從而解決一個(gè)常被忽視的障礙：未來需求的變化。其重新可編程特性進(jìn)一步拓展了未來推動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)邁向全新階段的潛力，既能助力技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)迭代升級，以適配不斷涌現(xiàn)的新需求，同時(shí)又能延長設(shè)備的有效使用壽命。

當(dāng)下與未來

隨著對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與決策需求的日益增長，簡化傳感器數(shù)據(jù)的集成與管理工作，將成為機(jī)器人自動(dòng)化成功落地及系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理的關(guān)鍵所在。FPGA為這些工作的推進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，它賦予設(shè)計(jì)人員足夠的靈活性，助力其優(yōu)化傳感器融合方案，同時(shí)重新定義智能機(jī)器人在當(dāng)下及未來工業(yè)生產(chǎn)中所能發(fā)揮的作用。

FPGA與其他先進(jìn)組件相結(jié)合，將助力引領(lǐng)下一代機(jī)器人和自動(dòng)化部署，并隨著該領(lǐng)域的不斷成熟繼續(xù)提供靈活支持。它們充分印證了，盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，智能、自動(dòng)化和實(shí)時(shí)的工業(yè)機(jī)器人解決方案已觸手可及。