【導(dǎo)讀】在AI助推下，工業(yè)機(jī)器人自動化正向大規(guī)模、先進(jìn)化發(fā)展，成為工業(yè)升級核心動力。但系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大、互聯(lián)性提升，帶來傳感器數(shù)據(jù)處理難、漏洞多、集成復(fù)雜等挑戰(zhàn)，制約技術(shù)普及。傳感器融合雖為關(guān)鍵解決方案，落地卻面臨集成、校準(zhǔn)、成本功耗等壁壘。在此背景下，F(xiàn)PGA憑借獨特優(yōu)勢，成為破解瓶頸、推動AI機(jī)器人大規(guī)模落地的核心支撐。本文將剖析行業(yè)挑戰(zhàn)、傳感器融合必要性及FPGA應(yīng)用價值，呈現(xiàn)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀與突破路徑。

傳感器融合的必要性

如今，自動化工業(yè)設(shè)施的可靠運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值及其提供的預(yù)測性見解，確保最小化停機(jī)時間，同時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。它是實現(xiàn)實時響應(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)為實時響應(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，傳感器融合有助于解決設(shè)計自動化機(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)自動化機(jī)器人應(yīng)用的大量組件，這本身就是一個重大挑戰(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大問題。盡管如今的處理器使用先進(jìn)的工藝節(jié)點來縮小晶體管尺寸、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)與物理動作，都必須與其數(shù)字模型實現(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)運維成本均掣肘了這項技術(shù)的大規(guī)模普及。支撐這類系統(tǒng)運行所需的專用傳感器價格高昂，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算能力需求的同時，優(yōu)化功耗并延長運行時間的挑戰(zhàn)。

要推動人工智能輔助機(jī)器人技術(shù)的大規(guī)模普及，設(shè)計人員需要找到相應(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

事實證明，F(xiàn)PGA是設(shè)計和部署高性能機(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)，同時還能實現(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人工智能機(jī)器人自動化大規(guī)模落地的冰山一角，其潛在價值遠(yuǎn)不止于此。

FPGA 憑借其獨有的復(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，能夠同時執(zhí)行多項任務(wù)。通過同時進(jìn)行信號處理、對齊、傳感器融合，并結(jié)合計算機(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，最終實現(xiàn)更可靠、穩(wěn)定、精確且高效的實時運行。

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，同時分擔(dān)傳感器融合、計算機(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)備的運行能力。

顧名思義，這些半導(dǎo)體不僅在設(shè)計階段具有靈活性。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機(jī)器人自動化技術(shù)邁向全新階段的潛力，既能助力技術(shù)體系實現(xiàn)迭代升級，以適配不斷涌現(xiàn)的新需求，同時又能延長設(shè)備的有效使用壽命。

總結(jié)

當(dāng)前，機(jī)器人雖面臨集成、校準(zhǔn)、成本功耗等壁壘，但FPGA提供了系統(tǒng)性解決方案。其低延遲、高并行、可定制等特性，適配傳感器融合需求，破解核心痛點，為技術(shù)落地提供支撐。展望未來，F(xiàn)PGA與先進(jìn)組件深度結(jié)合，將優(yōu)化系統(tǒng)性能，引領(lǐng)下一代自動化部署，推動智能高效的工業(yè)機(jī)器人解決方案落地，助力工業(yè)升級。