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軟體工具

物聯網虛擬化快速實現協作機器人

物聯網虛擬化

製造自動化的下一次變革,正在圍繞協作機器人慢慢成形。協作機器人(一種自主機器人)能夠與人類工人一起安全工作。雖然機器人似乎有明顯的優勢,但這些複雜系統的設計卻並非如此。

沒錯,打造協作機器人所需的大多數促使科技現在都已經問世。許多甚至已廣泛通用,從利用機器人看世界的高解析度攝影機,到具有本地管理物聯網連接功能、邊緣機器學習和控制任務功能的多核處理器。

其中的挑戰並不在於是否有技術,而在於將所有技術整合在一起的過程:並在單一平台上以降低耗電、成本和設計複雜性的方式進行。實現這一目標的合理起點,可以從使用一個高階模組替代多個單一功能機器人控制器開始。但即使是這步驟也相當不容易。

「協作機器人必須同時執行多項任務,」嵌入式系統工程服務和產品的領先供應商 Real-Time Systems GmbH銷售和行銷主管 Michael Reichlin 表示。「從即時運動控制開始,到高效能運算。」

「隨著協作機器人的感應器、互動能力和通訊功能的數量不斷增加,會需要能夠執行具有不同要求的各種工作負載的多功能控制器,」Reichlin 接著表示。「我們需要讓這些工作負載同時執行,並且不能相互干擾。」

直到這一步,才是最麻煩的部分。

製造業中的物聯網虛擬化和協作機器人

多核心處理技術的好處之一,就是軟體和應用程式可以將每個核心,視為具有專屬執行緒和記憶體的獨立系統。因此單個控制器可以同時管理多個應用程式。

從歷史角度來看,這種架構在機器人科技中的缺點是,將核心視為離散系統並不代表真正是離散系統。舉例來說,核心之間通常會共享記憶體資源,但資源是有限的。如果任務沒有得到適當的安排和優先排序,共享很快就會變成一種增加延遲的資源競爭,這顯然不適合像協作機器人這樣的安全關鍵型機器。

即使多核心處理器上,有足夠的記憶體和運算資源來同時支援多個應用程式,您仍然無法僅為每個核心分配一個工作負載,然後置之不理。由於複雜協作機器人設計中的許多應用程式,必須互相傳輸資料(舉例來說,一個感應器輸入會為通知控制功能的人工智慧演算法提供資訊),因此核心和軟體通常確實需要共享記憶體。

這讓我們回到了分區問題,或者正如 Reichlin 之前所稱的,一個工作負載並列運行且不會相互干擾的能力。要如何在同一個硬體上構建一個多功能系統,可以安全地分享運算資源卻不犧牲效能呢?

答案是即時 hypervisor。Hypervisor 能夠管理不同的作業系統、共享記憶體和系統事件,以確保裝置上的所有工作負載保持隔離狀態,同時仍能接收所需的資源(圖1)。

圖表解釋 Real-Time Hypervisor 的多核心和多作業系統。
圖 1. Real-Time(裸機)Hypervisor 能夠提供硬體分離和嚴格的確定性。(來源:Real-Time Systems GmbH )

一些 hypervisor 是能夠區分不同應用程式的軟體層。但為了滿足協作機器人的確定性要求,Real-Time Hypervisor 等裸機版本,與第 6 Intel® Atom 和第 11 Intel® Core 處理器等物聯網導向晶片緊密整合在一起。

Atom x6000E 和第 11 Core 系列支援 Intel ® 虛擬化技術 (Intel® VT-x),一種運算、記憶體和其他資源的硬體輔助抽象化,可為裸機 hypervisor 提供即時性能。

「為了保持系統的確定性,我們不能在即時應用程式和硬體之間多一個軟體層。我們去掉了這個軟體層,」Reichlin 解釋道。「客戶只需設置好他們的即時應用程式即可直接存取硬體。

「我們會從啟動程式開始,分離硬體以隔離不同的工作負載,並提供您絕對的確定性。」他繼續說道。「我們不會加入任何的干擾。根據我們分離不同的核心的方法,我們也不會為即時應用程式增加任何延遲。」

在 RTS Hypervisor 分區的核心之間,資料傳輸可以根據需求以數種方式進行。舉例而言,開發人員可以透過虛擬網路或訊息中斷,在事件發生時傳送或讀取資料。

第三種選擇是透過共享記憶體,傳輸無法被其他工作負載覆寫的資料區塊。此時,RTS Hypervisor 會利用了 Intel® 處理器的原生功能,如支援 Intel® Time-Coordinated Computing (Intel® TCC) 的裝置,裡面提供的軟體 SRAM。這項新功能會將延遲敏感的資料和代碼放入高速緩衝記憶體中,以改善時間隔離。

Real-Time Hypervisor 會自動利用軟體 SRAM 等功能,且不需要開發人員對其進行配置。這要歸功於 Real-Time Systems 和 Intel® 的多年共同開發。

Hypervisor 將處理器拆分,以利協作機器人共享工作

裸機即時 hypervisor 具備的剛性,為協作機器人等系統在設計上提供了靈活性。現在,系統整合商能夠從不同來源提取具有不同時序、安全性和安全性要求的應用程式,並無縫整合至同一個機器人控制器上。

無需擔心過程之間會互相干擾或競爭有限資源,因為全部均由 hypervisor 進行管理。Real-Time Systems 也正在為其 hypervisor 開發一款安全認證版本,將能進一步簡化混合式關鍵協作機器人系統的開發和整合。

據 Reichlin 預測,從桌上型個人助理到協助人類操作重型機械的工業協作機器人,將在未來幾年成為主流。而大多數機器人都將有一個 hypervisor,允許單個處理器共享工作負載,以便協作機器人共享工作。

本文由 insight.tech 內容副總監 Georganne Benesch 編輯。

作者簡介

Brandon is a long-time contributor to insight.tech going back to its days as Embedded Innovator, with more than a decade of high-tech journalism and media experience in previous roles as Editor-in-Chief of electronics engineering publication Embedded Computing Design, co-host of the Embedded Insiders podcast, and co-chair of live and virtual events such as Industrial IoT University at Sensors Expo and the IoT Device Security Conference. Brandon currently serves as marketing officer for electronic hardware standards organization, PICMG, where he helps evangelize the use of open standards-based technology. Brandon’s coverage focuses on artificial intelligence and machine learning, the Internet of Things, cybersecurity, embedded processors, edge computing, prototyping kits, and safety-critical systems, but extends to any topic of interest to the electronic design community. Drop him a line at techielew@gmail.com, DM him on Twitter @techielew, or connect with him on LinkedIn.

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