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自动化是现代工业设施的核心支柱，而机器人技术则是推动其发展的催化剂。当下，由人工智能（AI）驱动的机器人技术正飞速发展，推动着规模更大、技术更先进的工业部署。然而，随着自动化系统在工业场景中的应用范围和规模不断扩大，传感器数据的收集、聚合与分析工作也变得愈发困难。
每新增一个传感器，就会为系统带来更多信号、数据和需求，同时也增加了风险。规模更大、设计更复杂、数据处理量更多的系统，本身就更容易出现错误、滞后、时延和安全漏洞。尽管人工智能和机器学习（ML）模型有助于简化机器人驱动的操作，但将其集成到这些系统中本身就是一项挑战。
随着现代工业自动化系统规模不断扩大、自主性不断增强、整体互联性不断提高，黑客可利用的潜在攻击点数量也随之激增。为了应对不断演变的威胁态势，开发者需要审视支撑这些分布式程度不断提高的自动化系统的底层硬件。
传感器融合的必要性
如今，自动化工业设施的可靠运行在很大程度上依赖于传感器融合：即整合并处理来自各种传感器、设备和流程的数据，对信号进行情境化处理以提高准确性、可视性和针对性。传感器融合有助于优化并提升分析工具的价值及其提供的预测性见解，确保最小化停机时间，同时提高整体吞吐量和效率。
当代人工智能和机器人领域的专业人士已然认识到，传感器融合是推动先进机器人系统向边缘端延伸的关键所在。它是实现实时响应能力的关键使能因素，而84%的该领域专业人士认为实时响应能力对系统性能而言较为关键或非常关键。当与精密电机控制、功能安全和安全措施相结合时，传感器融合有助于解决设计自动化机器人系统面临的许多关键挑战。
遗憾的是，部署过程中仍存在重大挑战。以摄像头与激光雷达传感器的融合为例：尽管 75.7% 的受访行业领导者表示青睐这种传感器融合方案，但仅有 67.5% 的企业成功部署了摄像头–激光雷达融合系统。这一差距折射出，当前仍存在许多技术落地的障碍，阻碍着机器人自动化的高效普及。
当前面临的挑战
无论涉及的具体传感器和人工智能模型是什么，工程师都需要支持先进自动化机器人应用的大量组件，这本身就是一个重大挑战。目前，工程师尚未完全攻克的三大技术落地壁垒包括：
- 集成
工业机器人系统十分复杂，需要连接众多执行各种任务的先进传感器。将这些系统的各个部分连接起来并确保其可用性，需要芯片级别的灵活输入/输出（I/O）和高性能，这对许多通用组件来说是一个大问题。尽管如今的处理器使用先进的工艺节点来缩小晶体管尺寸、提高性能并降低芯片裸片尺寸和成本，但这也造成了I/O方面的更多限制，且难以灵活兼容传统的连接需求。
- 数字孪生与校准
许多工业设施依靠这类系统，通过将高精度、关键任务自动化来减少人为失误，而任何不同步或连接中断的情形都会产生负面影响。这就要求每台机器人的内部参数与物理动作，都必须与其数字模型实现精准匹配。但遗憾的是，环境及其他各类因素均会影响机器人的运行精度，因此必须持续监控和维护校准。
- 成本与功耗
构建搭载人工智能技术的智能机器人，其前期投入成本与后续运维成本均掣肘了这项技术的大规模普及。支撑这类系统运行所需的专用传感器价格高昂，而额外产生的能源消耗、算力投入以及模型训练等多项开支，也构成了新的阻碍。自主机器人还面临着在满足极高计算能力需求的同时，优化功耗并延长运行时间的挑战。
要推动人工智能辅助机器人技术的大规模普及，设计人员需要找到相应方法，在不牺牲速度、算力与效率的前提下，简化并优化基于传感器的边缘架构。这一进程需从底层架构着手，借助现场可编程门阵列（FPGA）这类专用组件，探索构建边缘设备的全新方案。
FPGA如何支持传感器融合
事实证明，FPGA是设计和部署高性能机器人解决方案的得力工具。它们能够提供传感器融合处理所需的低延迟、同步且确定性的性能表现，同时还能实现常规处理器难以企及的低功耗水平。此外，FPGA 还能满足功能安全、安全防护与设计灵活性等核心需求，并且体积小巧、能效出众。然而，这些特性仅仅是其推动人工智能机器人自动化大规模落地的冰山一角，其潜在价值远不止于此。
FPGA 凭借其独有的复合型能力，为传感器融合的主要挑战提供了一种优质解决方案。这类芯片的核心优势在于并行处理能力，能够同时执行多项任务。通过同时进行信号处理、对齐、传感器融合，并结合计算机视觉与边缘人工智能，FPGA芯片将部分任务从主计算组件中剥离出来，以达到降低系统延迟与处理压力，并拓展设备的运行能力的目的。这一特性能够显著加速各类关键任务的处理速度，提升机器人系统的精准度与决策效率，最终实现更可靠、稳定、精确且高效的实时运行。
FPGA还解决了上文提到的I/O-算力矛盾，提供了高度可定制的I/O和灵活的协议支持。这使其能够与支持以太网、SPI、LVDS、CAN、MIPI、JESD-204B和GPIO等通用标准的各类传感器和执行器实现互操作。这些芯片通过最大限度降低延迟、提供确定性的低功耗处理能力，同时分担传感器融合、计算机视觉以及物理人工智能的工作负载，有助于解决常见的计算和功耗难题，进而全面提升系统整体性能，拓展设备的运行能力。
顾名思义，这些半导体不仅在设计阶段具有灵活性。FPGA可以在部署后进行更新，从而解决一个常被忽视的障碍：未来需求的变化。其重新可编程特性进一步拓展了未来推动机器人自动化技术迈向全新阶段的潜力，既能助力技术体系实现迭代升级，以适配不断涌现的新需求，同时又能延长设备的有效使用寿命。
当下与未来
随着对实时数据处理与决策需求的日益增长，简化传感器数据的集成与管理工作，将成为机器人自动化成功落地及系统风险管理的关键所在。FPGA为这些工作的推进奠定了坚实基础，它赋予设计人员足够的灵活性，助力其优化传感器融合方案，同时重新定义智能机器人在当下及未来工业生产中所能发挥的作用。
FPGA与其他先进组件相结合，将助力引领下一代机器人和自动化部署，并随着该领域的不断成熟继续提供灵活支持。它们充分印证了，尽管面临诸多挑战，智能、自动化和实时的工业机器人解决方案已触手可及。
