{"id":59690,"date":"2023-10-05T11:08:09","date_gmt":"2023-10-05T10:08:09","guid":{"rendered":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/?p=59690"},"modified":"2023-10-09T11:08:22","modified_gmt":"2023-10-09T10:08:22","slug":"le-opzioni-computazionali-per-la-robotica","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/it\/automazione\/le-opzioni-computazionali-per-la-robotica\/","title":{"rendered":"Le opzioni computazionali per la robotica"},"content":{"rendered":"\n

L’architettura e la progettazione dei robot abbracciano oggi una vasta gamma di funzioni e capacit\u00e0, il che ha un impatto significativo sulla potenza di elaborazione e sulle risorse utilizzate per garantirla. In un ambiente controllato, come una gabbia di sicurezza, un robot di produzione richiede relativamente poche protezioni e pu\u00f2 utilizzare strategie di controllo procedurale semplici.<\/em><\/p>\n\n\n\n

I progettisti devono assicurarsi che il robot si arresti se la gabbia viene aperta o se i pezzi non sono posizionati come previsto. Tuttavia, molte delle sfide legate alla sicurezza possono essere affrontate mediante l’impiego di interblocchi hardware piuttosto che complesse combinazioni di sensori d’immagine e software. I requisiti chiave dell’elaborazione in questo contesto sono quelli di garantire un controllo del movimento efficiente e preciso. Questo richiede principalmente l’uso di microcontrollori o processori di segnali digitali per gestire il flusso di energia ai motori e agli altri attuatori. <\/p>\n\n\n\n

L’evoluzione delle unit\u00e0 di microcontrollo.<\/h2>\n\n\n\n

I progetti dei robot di produzione convenzionali tendono a essere poco flessibili. Ogni programma deve essere programmato, simulato e testato a lungo prima di poter procedere. Nella produzione, gli utenti desiderano che i robot siano pi\u00f9 flessibili, in modo da poterli assegnare rapidamente a compiti diversi. Devono inoltre essere in grado di muoversi all’interno del reparto di produzione, il che comporta la necessit\u00e0 di operare al di fuori della gabbia di sicurezza. Questi requisiti richiedono una maggiore potenza di elaborazione per fornire ai robot la capacit\u00e0 di navigare senza collisioni accidentali con gli oggetti o danneggiare gli astanti. <\/p>\n\n\n\n

Di conseguenza, i robot devono essere in grado di elaborare gli input dei sensori in tempo reale e di prendere decisioni intelligenti al volo, a seconda delle circostanze. Pi\u00f9 i robot si allontanano dalla gabbia di sicurezza e pi\u00f9 interagiscono con gli esseri umani, maggiore sar\u00e0 la potenza di elaborazione di cui avranno bisogno quando si troveranno al di fuori dell’ambiente relativamente controllato dell’officina. I robot di servizio e i droni per le consegne devono essere in grado di reagire in modo intelligente a situazioni complesse.<\/p>\n\n\n

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La famiglia di processori ARM Cortex-M rappresenta la spina dorsale di molti prodotti di microcontrollo.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

In questi scenari avanzati, emerge chiaramente la necessit\u00e0 di una maggiore sofisticazione del software, che deve avanzare di pari passo con la velocit\u00e0 di calcolo. Il progettista ha un alto grado di flessibilit\u00e0 nella scelta di come fornire la potenza di elaborazione richiesta, non solo in termini di fornitori, ma anche di architettura complessiva.<\/p>\n\n\n\n

L’uso dei microcontrollori<\/h3>\n\n\n\n

L’unita del microcontrollore (MCU)<\/a> \u00e8 stato predominante per molti anni nelle applicazioni dei robot di base. Il cuore dell’MCU \u00e8 il microprocessore. Inizialmente, i nuclei dei microprocessori nelle MCU erano ottimizzati per operazioni aritmetiche e di controllo a livello logico semplici, ma dalla loro introduzione, quasi 50 anni fa, le prestazioni e le capacit\u00e0 di gestione dei dati sono notevolmente migliorate. Oggi, i core dei microprocessori che operano nativamente su parole di dati a 32 bit e che offrono caratteristiche di prestazione come il pipelining e l’architettura Harvard sono disponibili a un livello di costo che permette anche ai sistemi pi\u00f9 semplici di utilizzarli.<\/p>\n\n\n\n

In un tipico core di microprocessore a 32 bit, come l’ARM Cortex-M3, \u00e8 presente una pipeline di istruzioni che separa l’esecuzione dei comandi in una serie di fasi. Nella pipeline del M3, innanzitutto, l’istruzione viene recuperata da una cache locale. Se l’istruzione non \u00e8 presente nella cache, deve essere prima caricata dalla memoria principale. Una volta nella pipeline, i byte dell’istruzione vengono decodificati per determinare quali unit\u00e0 funzionali devono essere attivate per eseguire l’istruzione. Infine, si procede all’esecuzione.<\/p>\n\n\n\n

Pipelining e gestione degli interruttori<\/h2>\n\n\n\n

Il pipelining viene utilizzato per mitigare effetti come la latenza della memoria, consentendo di sovrapporre l’esecuzione di multiple istruzioni e contribuendo ad aumentare la velocit\u00e0 dell’orologio, poich\u00e9 richiede meno passaggi logici per ciclo. I processori pi\u00f9 veloci utilizzano pipeline pi\u00f9 lunghe, che possono avere dieci o pi\u00f9 fasi. Tuttavia, una svantaggio delle pipeline lunghe \u00e8 l’alta latenza di diramazione. Quando si verifica un salto di istruzione, \u00e8 necessario del tempo per riempire nuovamente la pipeline con le istruzioni necessarie per la nuova direzione.<\/p>\n\n\n\n

Il supporto per gli interruzioni consente al core del processore di sospendere temporaneamente l’esecuzione del programma principale per gestire altre attivit\u00e0. La gestione delle interruzioni \u00e8 un componente essenziale per le applicazioni che richiedono una risposta in tempo reale agli eventi. Senza di essa, il codice del programma dovrebbe costantemente monitorare gli eventi esterni, comportando uno spreco significativo di capacit\u00e0 di calcolo.<\/p>\n\n\n\n

Microprocessori per i progettisti di robot<\/h2>\n\n\n\n
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Lo schema di priorit\u00e0 utilizzato dalla maggior parte dei core del processore consente di ignorare gli interrupt provenienti da periferiche relativamente meno importanti, mentre il processore si occupa delle routine critiche, come il trasferimento del controllo da un’attivit\u00e0 all’altra o l’elaborazione di interrupt critici. Il risultato \u00e8 un’architettura altamente flessibile, in grado di gestire una variet\u00e0 di applicazioni in tempo reale. <\/p>\n\n\n\n

Una variante importante e specializzata del microprocessore per i progettisti di robot \u00e8 il processore di segnale digitale (DSP). Si tratta di un nucleo del processore che aggiunge istruzioni e hardware ottimizzati per eseguire algoritmi di elaborazione del segnale, come filtri e trasformate veloci di Fourier. Queste istruzioni includono operazioni di moltiplicazione e addizione veloci e fuse, che sono presenti praticamente in tutti gli algoritmi DSP. Poich\u00e9 il codice DSP opera su strutture di dati come matrici e vettori, \u00e8 relativamente semplice parallelizzare il lavoro. Ci\u00f2 ha portato all’implementazione di unit\u00e0 di esecuzione a istruzione singola e dati multipli (SIMD), che eseguono le stesse operazioni, come moltiplicazioni e addizioni, su pi\u00f9 elementi di un array contemporaneamente. Il risultato \u00e8 una notevole velocit\u00e0 incrementata con un relativo basso aumento di complessit\u00e0 e costi. <\/p>\n\n\n\n

Un MCU (Microcontroller Unit) comprende una serie di periferiche integrate disposte attorno al nucleo del processore. In genere, in un MCU industriale o robotico, le periferiche vanno dagli array di memoria alle unit\u00e0 timer-trigger avanzate, utilizzate per alleggerire il carico della modulazione di larghezza degli impulsi (PWM) sul microprocessore. La PWM \u00e8 un componente fondamentale in quasi tutte le strategie di controllo dei motori e quindi svolge un ruolo essenziale nella progettazione robotica. Altri dispositivi System-on-Chip (SoC) aggiungono ulteriori funzionalit\u00e0 attorno a un MCU, come ricetrasmettitori wireless<\/a>, logica di crittografia e autenticazione dedicata, nonch\u00e9 acceleratori grafici.<\/p>\n\n\n\n

Controllo e hardware<\/h3>\n\n\n\n

L’impiego di periferiche intelligenti illustra anche un principio di progettazione sempre pi\u00f9 rilevante per i robot: sfruttare il controllo distribuito e l’accelerazione hardware. \u00c8 possibile utilizzare un microprocessore per implementare il controllo PWM, ma spesso ci\u00f2 rappresenta una scorretta allocazione delle risorse. Il cuore del problema risiede nel fatto che il software deve commutare ripetutamente l’alimentazione tra i transistor del mezzo ponte, che controlla il flusso di corrente verso il motore, seguendo intervalli pre-programmati. Gli interrupt provenienti da un orologio o da un contatore in tempo reale possono facilmente attivare i gestori per commutare lo stato di alimentazione e configurare quindi il timer per il ciclo successivo. Tuttavia, ci\u00f2 comporta una frequenza elevata di interrupt per una sequenza di operazioni estremamente semplice.<\/p>\n\n\n\n

Un controllore PWM combina un timer e una logica di commutazione, eliminando la necessit\u00e0 di interrompere il core del microprocessore per ogni operazione di commutazione. Il software deve solo aggiornare periodicamente i timer per impostare il duty cycle PWM richiesto. Grazie a una quantit\u00e0 relativamente ridotta di logica aggiuntiva, che pu\u00f2 operare in modo indipendente dal processore per periodi di tempo considerevoli, l’efficienza del software migliora notevolmente. Questa architettura condivide un tema comune con altri meccanismi di scarico dell’hardware che diventeranno sempre pi\u00f9 importanti nella progettazione robotica. Le periferiche hardware gestiscono eventi frequenti in tempo reale, mentre il software definisce la politica per tali periferiche.<\/p>\n\n\n\n

Nel caso delle periferiche hardware, i progettisti sono vincolati alle funzioni offerte dai fornitori di circuiti integrati. Tuttavia, l’inclusione di sequenziatori basati su macchine a stati hardware pu\u00f2 aumentare la loro flessibilit\u00e0. Ad esempio, questi sequenziatori possono leggere valori da un convertitore A\/D, trasferire dati direttamente nella memoria principale utilizzando l’accesso diretto alla memoria (DMA) e impostare o ricaricare timer, tutto ci\u00f2 senza coinvolgere il nucleo della CPU. Tuttavia, le opzioni rimangono limitate.<\/p>\n\n\n\n

FPGA nella robotica<\/h2>\n\n\n\n

Il field-programmable gate array (FPGA) offre un mezzo per creare periferiche hardware personalizzate ottimizzate per specifiche funzioni di controllo robotico e apprendimento automatico. <\/p>\n\n\n\n

Il nucleo della maggior parte delle architetture FPGA \u00e8 composto da una tabella di ricerca programmabile che pu\u00f2 essere configurata per implementare qualsiasi funzione logica esprimibile come una tabella di verit\u00e0. Utilizzando interruttori programmabili nel tessuto di interconnessione, le tabelle di ricerca vengono interconnesse tra loro attraverso complessi circuiti logici combinazionali. In genere, ciascuna tabella di ricerca \u00e8 accompagnata da uno o pi\u00f9 registri e da una logica di supporto aggiuntiva, come gli ingressi e le uscite della catena di trasporto, al fine di agevolare l’implementazione efficiente di sommatori aritmetici. Insieme, queste funzioni costituiscono un blocco logico che viene replicato pi\u00f9 volte nell’FPGA. <\/p>\n\n\n\n

Uno svantaggio rispetto alla logica completamente personalizzata \u00e8 che l’efficienza del silicio \u00e8 notevolmente inferiore. L’area di silicio richiesta per ospitare un circuito logico all’interno di un fabric FPGA \u00e8 da 10 a 20 volte maggiore rispetto a un’implementazione personalizzata basata su celle standard.<\/p>\n\n\n\n

Tuttavia, la maggior parte delle FPGA supporta la riprogrammazione dell’array logico anche mentre il sistema \u00e8 in esecuzione. Ci\u00f2 consente di condividere le risorse, caricando dinamicamente gli acceleratori nel fabric solo quando sono necessari. Questo approccio offre anche una maggiore flessibilit\u00e0 per il progetto finale, il quale pu\u00f2 supportare nuovo hardware e funzionalit\u00e0 aggiuntive.<\/p>\n\n\n

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La Look Up Table (LUT) dell’FPGA \u00e8 ci\u00f2 che conferisce al FPGA la sua flessibilit\u00e0. <\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n
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Le LUT nei FPGA vengono poi interconnesse tra loro attraverso una matrice di routing per ottenere la funzionalit\u00e0 desiderata. <\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Dall’introduzione degli anni ’80, le FPGA hanno acquisito ulteriori caratteristiche che ne migliorano la densit\u00e0 complessiva. I blocchi di memoria consentono di creare buffer e cache vicino alla logica programmabile. A questi si sono aggiunti pi\u00f9 recentemente i motori DSP. In molti casi, i motori DSP sono implementati con un approccio a blocchi, composti da unit\u00e0 da 8 o 16 bit, che possono essere combinati per supportare tipi di dati a pi\u00f9 alta precisione.<\/p>\n\n\n\n

Le unit\u00e0 DSP rendono le FPGA particolarmente adatte all’elaborazione dei dati provenienti da sensori<\/a> che generano grandi quantit\u00e0 di dati, come telecamere, radar e altri tipi di sensori di immagini. Un’applicazione tipica consiste nell’utilizzare una combinazione di unit\u00e0 DSP e acceleratori logici per gestire algoritmi come il warping delle immagini e la compensazione dell’illuminazione, al fine di fornire input pi\u00f9 coerenti alle funzioni di machine-learning e simili. Queste funzioni possono essere coordinate da core di microprocessori personalizzati implementati nel tessuto programmabile, che agiscono come microsequencer per le diverse primitive di elaborazione.<\/p>\n\n\n\n

Sfruttare GPU, VPU e multiprocessing<\/h2>\n\n\n\n

Un’altra opzione, specialmente per le attivit\u00e0 di elaborazione delle immagini, \u00e8 l’utilizzo di un’unit\u00e0 di elaborazione grafica (GPU) o un’unit\u00e0 di elaborazione della visione (VPU). Queste unit\u00e0 contengono motori DSP altamente parallelizzati e ottimizzati per l’elaborazione delle immagini. Per i robot che richiedono elevati livelli di consapevolezza ambientale, queste unit\u00e0 dedicate possono essere combinate con pi\u00f9 CPU, talvolta sullo stesso chip, come un SoC eterogeneo multi-core.<\/p>\n\n\n\n

L’uso del multiprocessamento pu\u00f2 anche migliorare l’affidabilit\u00e0 e la sicurezza complessiva. Un problema comune per qualsiasi progetto basato su computer \u00e8 la dipendenza da tecnologie di memoria vulnerabili alle radiazioni ionizzanti. Quando le radiazioni ionizzanti colpiscono il substrato di silicio di un circuito integrato, innescano una cascata di elettroni liberi che cambiano lo stato logico di un transistor. Nei transistor a circuito combinatorio, l’effetto \u00e8 solitamente transitorio e si verifica solo raramente. <\/p>\n\n\n\n

Tuttavia, le memorie e i registri sono pi\u00f9 vulnerabili alle modifiche a causa del modo in cui riciclano il loro contenuto per evitare la dispersione dei dati memorizzati. I codici di correzione e rilevazione degli errori (ECC) aiutano a gestire questo problema. La probabilit\u00e0 di errore in un singolo evento aumenta con la densit\u00e0 della memoria, rendendo il problema sempre pi\u00f9 critico man mano che i circuiti integrati continuano a seguire la legge di Moore. Inoltre, l’ECC potrebbe non rilevare tutti gli errori, il che potrebbe portare a un’applicazione che opera su dati errati e, alla fine, causare un fallimento del sistema di controllo. In un robot che interagisce con il pubblico, situazioni del genere non possono verificarsi. <\/p>\n\n\n\n

Tecniche di ridondanza e la progettazione di processori diversi affrontano questo problema. <\/h3>\n\n\n\n

Queste tecniche garantiscono che singoli processori supervisionino il lavoro degli altri. <\/p>\n\n\n\n

I processori possono essere dello stesso tipo ed eseguire lo stesso codice. La logica di controllo confronta i risultati ottenuti e utilizza un sistema di votazione per determinare quale operazione consentire o richiedere che venga eseguita nuovamente finch\u00e9 i processori non sono in accordo. <\/p>\n\n\n\n

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L’uso di tre processori con un sistema di votazione a maggioranza \u00e8 pi\u00f9 costoso ma meno invasivo, poich\u00e9 la ripetizione delle operazioni pu\u00f2 causare ritardi indesiderati. La ridondanza modulare pu\u00f2 essere implementata anche a livello di gate.<\/p>\n\n\n\n

Non \u00e8 necessario che i processori in una configurazione ridondante siano identici. Alcune architetture prevedono che un processore meno performante funga da motore di controllo. Invece di eseguire lo stesso software, si limita a eseguire controlli di coerenza e a forzare una nuova esecuzione se un controllo fallisce o, in casi pi\u00f9 estremi, un reset completo. <\/p>\n\n\n\n

Per ridurre al minimo le possibilit\u00e0 che errori sistematici di progettazione si insinuino nell’equazione, i processori duplicati possono essere progettati e implementati in modi diversi. Questa \u00e8 una tecnica utilizzata in alcuni SoC multi-core sviluppati per i sistemi di sicurezza automobilistici. <\/p>\n\n\n\n

Le opzioni architetturali per i progettisti di robot sono ora molto ampie. <\/h2>\n\n\n\n

Queste opzioni li portano da progetti semplici a macchine altamente flessibili, capaci di reagire in modo intelligente a problemi e ostacoli, e di continuare a funzionare senza intoppi.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"L’architettura e la progettazione dei robot abbracciano oggi una vasta gamma di funzioni e capacit\u00e0, il che ha…\n","protected":false},"author":29,"featured_media":57734,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"csco_singular_sidebar":"","csco_page_header_type":"","csco_appearance_grid":"","csco_page_load_nextpost":"","csco_post_video_location":[],"csco_post_video_location_hash":"","csco_post_video_url":"","csco_post_video_bg_start_time":0,"csco_post_video_bg_end_time":0,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[1019,198,200],"tags":[],"coauthors":[1744],"class_list":{"0":"post-59690","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","5":"has-post-thumbnail","7":"category-automazione","8":"category-elettronica","9":"category-tecnologie-informatiche-e-digitali","10":"cs-entry","11":"cs-video-wrap"},"yoast_head":"\nLe opzioni computazionali per la robotica - KnowHow<\/title>\n<meta name=\"description\" content=\"Per un controllo efficace e preciso del movimento di un robot, sono necessarie diverse considerazioni in termini di elaborazione. 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