Isso se refere ao hardware que pesa pouco, porque um robô ambulante (do tamanho de um gato gordo, 6 pernas com 3 DOF) deve carregá-lo. Por causa disso, será necessário fazer muita trigonometria (usando matemática matricial ou não, ainda não tenho certeza) e é daí que vem a pergunta.
PIC, Arduino ou AVR barato não são rápidos o suficiente para calcular tudo 100 / segundo e manter em mente coisas como inércia e prevenção de obstáculos, ou mesmo caminhos / andamentos de força bruta.
O plano A é levar o cérebro ao robô. Seja microprocessador, micro ITX, nettop ou outro; o que é um hardware eficiente para fazer trigonometria / matemática matricial rapidamente?
Pesquisei on-line e esperava descobrir sobre os microcontroladores AVR, x86 ou ARM especializados nisso, mas sem sorte lá.
O plano B é ter uma máquina x86 conectada via Wi-Fi para fazer o trabalho pesado. Ótimo para prototipagem também, mas eu gostaria que isso migrasse para o plano A, eventualmente, quando o hardware miniaturizar. Mas, mesmo assim, qual CPU de desktop pode fazer a trigonometria mais rapidamente?
O plano C é distribuir a carga e ter um microcontrolador / núcleo de baixo consumo de energia para cada perna, embora essa não seja a melhor solução por muitas razões, eu gosto da capacidade de extensão dela.
Ainda não decidi o idioma e / ou a biblioteca usada, mas prefiro Pascal e C ++.
(sugestões de tags mais adequadas são bem-vindas, sou novo aqui)
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Respostas:
Não parece que seu aplicativo seja realmente tudo isso intensivo em computação. Um dsPIC, por exemplo, pode executar instruções de 400 k para cada uma de suas iterações. Isso é muito. No entanto, será útil ter boa capacidade de E / S de baixo nível, geradores de PWM, temporizadores e similares.
Seno e cosseno não são realmente tão difíceis de fazer em uma máquina inteira como um dsPIC. Eu já fiz isso algumas vezes. O truque é escolher a representação correta para os ângulos. Os radianos podem ser bons do ponto de vista teórico, mas são inconvenientes em termos computacionais. Degress é artificial e simplesmente bobo. Use o intervalo completo de qualquer número inteiro do tamanho da máquina para representar uma rotação completa. Por exemplo, em um dsPIC, que é um processador de 16 bits, uma rotação completa tem 65536 contagens, o que é muito mais precisão e resolução do que você precisa para controlar um robô ou que pode ser medido de qualquer maneira.
Uma vantagem dessa representação é que todo o acondicionamento acontece automaticamente apenas devido ao modo como as entradas e subtraições inteiras não assinadas funcionam. Outra vantagem significativa é que essa representação se presta particularmente bem ao uso de tabelas de pesquisa para seno e cosseno. Você só precisa armazenar 1/4 de ciclo. Os dois bits superiores do ângulo informam em que quadrante você está, que informa se deve indexar na tabela para frente ou para trás e se deve negar o resultado ou não. Os próximos N bits inferiores são usados para indexar na tabela, com a tabela com 2 N segmentos (2 N +1 pontos). Observe que a indexação na tabela para trás está apenas complementando os bits de índice da tabela.
Você pode dar à mesa pontos suficientes para que escolher a resposta mais próxima seja boa o suficiente. Por exemplo, se a tabela tiver 1024 segmentos, o seno e o cosseno serão computados no 1/4096 mais próximo de um círculo. Isso será suficiente para controlar um robô. Se você quiser mais precisão, poderá aumentar a tabela ou usar os bits inferiores restantes do ângulo para interpolar linearmente entre as entradas adjacentes da tabela.
De qualquer forma, o ponto é que parece que seus requisitos para este processador não correspondem ao problema declarado. Eu provavelmente usaria um dsPIC33F. É certamente pequeno, leve e muito mais eficiente em termos de energia do que um processo de computação de uso geral como um x86 em um computador de placa única.
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Você vai lidar com muitos sinais de entrada. Você não precisa necessariamente de uma CPU com alto rendimento; muitos sinais podem ser processados em paralelo. Este é o território típico do DSP. Obviamente, você também deseja a funcionalidade geral da CPU. Isso não é problema. Existem muitas CPUs com DSP's integrados.
Um design de chip típico para essas aplicações é um Cortex-M4. Isso vem com um DSP integrado e as versões -M4F também possuem uma FPU. Isso pode não ser necessário, a trigonometria pode ser feita facilmente em matemática de ponto fixo.
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Algumas observações:
Você não precisa processar as operações de trigonometria na mesma CPU que executa a prevenção de obstáculos. Você pode dividir as tarefas entre dois microcontroladores e usar um protocolo de comunicação para fazê-los falar.
Para um experimento, implementei um AHRS algoritmo com um filtro Kalman em um microcontrolador ARM Cortex M0 (era um STM32, não lembro exatamente o resto, mas acho que era 32 MHz) e, usando matemática de ponto fixo, eu poderia executar em cerca de 40 amostras / segundo. Com um controlador mais rápido, você poderá carregá-lo facilmente e, é claro, pode tentar o modo FPGA ou DSP.
Eu diria que o controle das pernas não requer muita CPU e você pode controlar todas as pernas juntas, talvez separadamente das operações de trigonometria e prevenção de obstáculos (consulte 1)
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A trigonometria é complicada, mas existem atalhos. Se você tem pouco poder de processamento, considere o algoritmo CORDIC.
É basicamente uma tabela de valores para [por exemplo] seno. Os ângulos podem estar em graus, radianos, o que você quiser. O ponto é que o SINE desses valores é 1/2 (0,5), 1/4 (0,25), 1/8, 1/16 ..... para qualquer fração de grau que seu robô possa usar.
Insira seu ângulo, subtraia o primeiro valor da tabela, defina seu resultado como primeiro resultado (0,5). Se, ao subtrair, seu ângulo ficou negativo, adicione o próximo valor (e subtraia 0,25). Caso contrário, continue subtraindo os ângulos e adicionando resultados.
Quando você chega ao final da tabela, tudo o que você fez foi adicionar e subtrair, mas você está muito perto. Há um "fator de violino" final para multiplicar.
A precisão [e a velocidade] do resultado depende do tamanho [e da resolução] da tabela de pesquisa.
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Você pode considerar o uso de uma placa Raspberry Pi que execute um sistema GNU / Linux de uso geral. O Raspberry Pi possui vários pinos GPIO que podem ser usados para conectar servos de robôs ou placas de extensão.
http://www.youtube.com/watch?v=RuYLTudcOaM
O modelo A Raspberry Pi pode executar até 24 GFLOPs de computação de ponto flutuante de uso geral usando sua GPU usando o OpenGL ES 2, mantendo-se abaixo do orçamento de energia de 2,5W.
http://elinux.org/RPi_Hardware
Exemplo: uma configuração de robô alimentada por bateria implementada usando o Raspberry Pi.
http://www.homofaciens.de/technics-robots-R3-construction_en_navion.htm
Exemplo 2: um robô de 6 patas controlado por um raspberry pi:
http://www.youtube.com/watch?v=Yhv43H5Omfc
Exemplo 3: um robô de pêndulo invertido de 2 rodas e auto balanceado controlado por um raspberry pi:
http://www.youtube.com/watch?v=n-noFwc23y0
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Para robôs de pernas, você pode criar algumas seqüências de movimento de pernas predefinidas e "reproduzi-las". É possível evitar obstáculos em tempo real com uma
fuzzy logicimplementação leve, onde tudo está novamente em formato de tabela e tudo o que você precisa fazer é escolher o valor certo e usá-lo paradefuzzyficationprocesso.Tudo pode ser feito em C em um processador de alguma forma mais rápido
ARM7. Eu tenteiAVRe falhei, depois de gastar muito tempo transformando tudo emfixed point arithmetics.fonte
A plataforma Texas Instruments Stellaris possui uma unidade de ponto flutuante a bordo por padrão. Não tenho certeza se o controlador ARM com clock de 80MHz é rápido o suficiente para o seu aplicativo, mas uma placa de desenvolvimento do LaunchPad é bem barata: http://www.ti.com/ww/en/launchpad/stellaris_head.html
É programável através de USB, cadeias de ferramentas gratuitas estão disponíveis para pelo menos Windows e Linux, medem cerca de 4 × 6 cm e tem mais de 30 pinos GPIO (se contei corretamente).
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Você pode incorporar a placa da CPU do x86 power pc no seu aplicativo robótico com a ajuda do AVR para controlar as unidades do robô como uma placa de interface. A solução mais rápida e barata do seu problema. Mas sim, você precisa mexer bastante na codificação da arquitetura x86, mas, felizmente, pode entender muita codificação a partir de códigos de SO de código aberto. (Se sua construção mecânica suportar esse peso)
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