Une technique pour générer automatiquement des composants matériels pour les systèmes robotiques

Une technique pour générer automatiquement des composants matériels pour les systèmes robotiques

Architecture matérielle générique pour les applications robotiques d’une conception FPGA. Crédit : Podlubne et al.

À mesure que les robots deviennent de plus en plus sophistiqués et avancés, ils nécessiteront généralement une quantité croissante de composants matériels, notamment des membres robotiques, des moteurs, des capteurs et des actionneurs. De plus, les robots ont intégré des ordinateurs qui traitent les données collectées par leurs capteurs et planifient leurs actions futures en conséquence.

Cependant, la plupart des solutions logicielles actuellement exécutées sur ces ordinateurs ne sont pas idéales, car leurs limitations de vitesse les rendent incapables de traiter des quantités particulièrement importantes en temps réel. Un moyen possible d’améliorer les capacités des ordinateurs intégrés à l’intérieur des robots consiste à utiliser des réseaux de portes programmables sur le terrain (FPGA), des dispositifs à semi-conducteurs basés sur une matrice de blocs logiques configurables connectés via des interconnexions programmables.

Un avantage important de ces appareils est qu’ils peuvent être reprogrammés pour s’adapter à des applications spécifiques. Les FPGA pourraient améliorer considérablement les capacités de calcul des robots, tout en les rendant plus adaptables à des applications spécifiques. Cependant, leur intégration dans des systèmes existants s’est avérée jusqu’à présent très difficile, car l’utilisation d’accélérateurs individuels avec des capacités d’intégration spécifiques limite leur applicabilité.

Des chercheurs de la Technische Universität Dresden (TUD) ont récemment développé une technique qui pourrait permettre le développement de robots intégrant de nombreux accélérateurs matériels. Cette technique, présentée dans un article publié dans Accès IEEE, pourrait à terme faciliter le remplacement des composants logiciels existants alimentant les systèmes robotiques par des composants basés sur des FPGA.

« Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet CeTI, qui vise à renforcer les collaborations entre humains et machines ou, plus généralement, systèmes cyber-physiques (CPS) dans des environnements réels, virtuels et distants », Ariel Podlubne, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, a déclaré TechXplore. « Il s’agit notamment d’un travail interdisciplinaire alliant recherche sur le matériel embarqué (chaire Adaptive Dynamic Systems) et modélisation logicielle (chaire Software Technology).

La nouvelle étude de Podlubne et de ses collègues est une extension de leurs recherches précédentes, qui ont exploré les moyens possibles d’intégrer les FPGA dans les systèmes robotiques. L’approche qu’ils ont présentée effectue une analyse approfondie des spécifications de message associées au système d’exploitation du robot (ROS), aux systèmes d’exploitation ROS2 et potentiellement à d’autres solutions logicielles. Il utilise ensuite les résultats de cette analyse pour générer des interfaces matérielles et des architectures pour les systèmes robotiques.

Une technique pour générer automatiquement des composants matériels pour les systèmes robotiques

Une chaîne d’outils de génération de code basée sur un modèle et par étapes est utilisée pour générer les interfaces matérielles. Crédit : Podlubne et al.

« Notre travail démontre la capacité de générer un système complexe basé sur FPGA à partir d’une simple description de l’application, basée sur une spécification connue pour les roboticiens (messages ROS) », a déclaré Podlubne. « Avec cela, des parties d’un système robotique peuvent être remplacées par un FPGA, créant des systèmes plus performants et plus économes en énergie. »

La chaîne d’outils peut générer tous les composants nécessaires pour créer un système robotique hautement performant, à l’exception de la logique de l’accélérateur, qui devra être programmée par les développeurs travaillant sur le système. La nouvelle approche peut ainsi simplifier considérablement l’interfaçage des architectures matérielles et des composants logiciels, ce qui peut être une tâche fastidieuse pour ceux qui créent des robots.

Initialement, les chercheurs ont montré que leur méthode peut générer des composants matériels pour des systèmes basés sur le système d’exploitation ROS. Cependant, ils ont ensuite pu étendre ses fonctionnalités afin qu’il prenne également en charge le système d’exploitation ROS2.

« Un effort complémentaire a été l’infrastructure de test », a déclaré Podlubne. « Nous sommes allés un peu plus loin pour évaluer tous les messages ROS existants, au-delà de certains cas d’utilisation. Cela s’est avéré extrêmement utile car le processus de développement implique plusieurs itérations pour avoir une solution robuste. Notre objectif était d’obtenir une prise en charge complète de ROS/ROS2, et notre l’infrastructure de test nous a permis d’attraper des bogues et de créer de la confiance dans nos recherches. »

À l’avenir, l’approche pourrait ouvrir la voie au développement de systèmes robotiques plus performants basés sur des FPGA. Ces systèmes pourraient être capables d’analyser de plus grandes quantités de données en temps réel et pourraient ainsi aider les humains à résoudre des problèmes plus complexes.

« Nos prochaines études se concentreront sur l’extension de la chaîne d’outils pour automatiser l’insertion d’accélérateurs FPGA (où le calcul est effectué) et incluront la reconfiguration partielle dynamique (DPR) pour changer les accélérateurs à la volée, en fonction des besoins actuels de l’application qui est déployé », a ajouté Podlubne.


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Plus d’information:
Ariel Podlubne et al, Approche basée sur un modèle pour la génération automatique d’architectures matérielles pour la robotique, Accès IEEE (2021). DOI : 10.1109/ACCESS.2021.3119061

Ariel Podlubne et al, FPGA-ROS : Méthodologie pour augmenter le système d’exploitation du robot avec des conceptions FPGA, Conférence internationale 2019 sur l’informatique ReConFigurable et les FPGA (ReConFig) (2020). DOI : 10.1109/ReConFig48160.2019.8994719

Johannes Mey et al, Grammaires d’attributs de référence relationnelle : Améliorer la validation continue des modèles, Journal des langages informatiques (2020). DOI: 10.1016/j.cola.2019.100940

© 2021 Réseau Science X

Citation: Une technique pour générer automatiquement des composants matériels pour les systèmes robotiques (2021, 21 octobre) récupéré le 21 octobre 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-10-technique-automatically-hardware-components-robotic.html

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