JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
Guidelines for contributing Technical Papers: download PDF

Drönare med kamera ombord är ett hett diskussionsämne just nu. Inbyggd avbildning kan delas upp i två kategorier: system som är medveten om sin omgivning samt system som både är medveten om omgivningen och som vidtar åtgärder. 

embex Ladda ner artikeln på 500 kbyte här (länk, pdf).
Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Robotar och drönare som styrs med hjälp av bilder tillhör den senare kategorin. De reagera på olika situationer genom att först känna av, sedan bearbeta, analysera och fatta beslut, för att därefter kommunicera och styra. 

Inom det civila används drönare exempelvis i medicinska tillämpningar, inom jordbruket, vid tv-sändning och filminspelning och för brottsbekämpning. I många tillämpningar erbjuder de stora fördelar. Inom exempelvis brottsbekämpning och filmproduktion kan de ersätta helikoptrar, och på så sätt minska kostnaden rejält.

Drönare kan också utföra mer skräddarsydda tjänster. Ett sådant exempel är den kommande leveranstjänsten Amazon Prime eller leverans av medicinska produkter till avlägsna områden, något som exempelvis sker i Uganda. Inom jordbruket kan drönare använda hyperspektral bildbehandling för att bestämma hur grödan mår. 

Tillämpningarna som nämnts ovan är bara ett axblock av de som drönare redan används inom eller i framtiden kan komma att används inom. Tillsammans demonstrerar de olika trender inom inbyggt seende: 
• För det första: Intelligens genom distribuerad maskinlärning (at the edge). Inbyggd intelligens innebär att drönaren måste ­extrahera information från sina kameror och agera utefter den för att uppnå sitt mål.
• För det andra: Det krävs högnivåspråk och öppenkodsbibliotek för att implementera intelligens i en drönare. De vanligaste öppenkodsbiblioteken är OpenCV, OpenVX och Caffe. OpenCV är öppen källkod för datorseende, som innefattar ett antal bibliotek för datorseende i realtid baserat på C/C++. OpenVX är program med öppen källkod för utveckling av bildbehandlingsprogram för datorseende, medan Caffe är ett deeplearningbibliotek. 
• För det tredje: Säkerhet i flera nivåer. Det krävs säkerhet på enhets-, system- och nätverksnivå för att säkerställa att ­drönare kan användas utan att säkerhet och information äventyras. 
• För det fjärde: Tillgänglighet överallt. 

Än så länge finns inte robotar och drönare som styrs genom seende överallt, likt våra smartmobiler. Däremot ser tillämpningar som drar nytta av dem en stark tillväxt. 

Rent konstruktionsmässigt är en drönare uppdelad i tre kritiska delsystem: exakt motorstyrning i realtid, programvarudefinierad radio för dubbelriktad kommunikation samt mycket exakt seende. Till detta kommer att lösningen måste vara energieffektiv eftersom kamerastyrda drönare och robotar oftast är batteridrivna. 

Ett avancerat inbyggt system för seende har hög bildhastighet och förmågan att bearbeta och agera på en bild snabbare än en människa. Många tillämpningar kräver stereo eller multipelt seende, då används flera kameror för att skapa ett komplett perspektiv av omgivningen runt drönaren. Kombinationen av flera sensorer i olika kombinationer för att skapa en fullständig bild av omgivningen kallas sensorfusion. 

I många tillämpningar används som sagt flera kameror. I vissa fall används kameror som detekterar andra delar av det elektromagnetiska spektrumet, såsom i infraröda och hyperspektrala tillämpningar. De kallad vanligen homogena om de använder flera sensorer av samma typ eller heterogena när de använder olika sensortekniker.

För att skapa förbättrad upplevelse och undvika hinder kör ett inbyggt visionsystem algoritmer som exempelvis Slam (Simultaneous localization and mapping) och snabbt optiskt flöde. Systemet kopplar dessa algoritmer med mer traditionella algoritmer för mönster- och objektigenkänning.

Kamerastyrda robotar och drönare kräver därmed inte bara hög bearbetningstakt med låg och deterministisk fördröjning. De måste också kunna optimeras med avseende på energiförbrukning och erbjuda en skalbar och framtidsbeständig lösning.

Det är här systemkretsarna Zynq-7000 och Zynq UltraScale+ kommer in. Det är två plattformar som kombinerar programmerbar logik med Arm-kärnorna A53 eller A9. För databehandling i realtid har Zynq UltraScale+ dubbla Arm Cortex-R5-processorer. Denna heterogena arkitektur bäddar för effektiv segmentering av funktionerna i antingen processorn eller den programmerbara logiken.

Med ett Arm-baserat system är det möjligt att utföra mycket sofistikerad bildanalys och beslutsfattande i realtid. I kombination med programmerbar logik kan systemkretsen upptäcka objekt i realtid och klassificera dem. När väl klassificeringen är klar kan roboten eller drönaren vidta lämpliga åtgärder för den detekterade objekttypen. Utvecklarna använder tekniker för maskininlärning för att skapa förutsättning för distribuerade beslut i realtid.

Traditionellt har det krävts en expert på hårdvarubeskrivande språk som HDL för att implementera bildbehandling och maskininlärning i programmerbar logik. Det har inneburit lång utvecklingstid och hög kostnad. 

Mjukvarustacken reVISION kan användas med alla Zynq Soc och Zynq UltraScale+ MPSoC. Den gör att utvecklare kan arbeta direkt med standardramverk och -bibliotek för att skapa en systemmodell.

Stacken reVISION är arrangerad i tre olika lager: 
1) Plattformslagret. Det är den lägsta nivån i stacken och den som resterande lager är byggda på. Här ingår plattforms­definitioner av hård- och mjukvarumiljön. Om en utvecklare inte vill använda fördefinierade plattformar kan den istället skapa en skräddarsydd plattform med Vivado Design Suite.
2) Algoritmlager. Konstruktionsmiljön SDSoC Design Environment och plattformsdefinitioner av målhårdvaran används för att skapa tillämpningen. Det är inom detta lager som utvecklare kan använda OpenCV-funktioner tillsammans med fördefinierade och optimerade implementeringar av konvolutionsnät (Convolutional Neural Network, CNN), såsom inferensacceleratorer. Detta går att bygga effektivt i programmerbar logik.
3) Applikationslager. Det är det högsta nivån i stacken och där utvecklare an­vänder ramverk som Caffe och OpenVX för att färdigställa tillämpningen.

Med reVISION kan utvecklare accelererar OpenCV-funktioner i den programmerbara logiken hos systemkretsarna Zynq Soc och Zynq UltraScale+. Det skapar ett mer responsivt bildbehandlingssystem, eftersom rörledningar till sin natur är parallella. Den parallella bearbetningen i FPGA-strukturen tar bort den främsta flaskhalsen i GPU-konstruktioner, som skyfflar data fram och tillbaka mellan chip och DDR-minne. Likaså minskar effektförlusten när data hålls inom kretsen. 

I tillämpningar med autonoma drönare och robotar används ofta maskininlärningsinferenser för att fatta beslut. Mjukvarustacken reVISION gör det möjligt att implementera inferensmotorer i den programmerbara logiken för att stödja detta. 

För att hjälpa konstruktörer att implementera och träna neuronnät finns några ramverk som blivit branschstandarder, däribland Caffe. Integrationen med Caffe i reVISION är enkel. ReVISION kan ta nätverks- och träningsinformation direkt från en Caffe-prototxtfil. Genom att använda programmerbar logik kan utvecklare accelerera en inferensmotor och därmed skapa en mer responsiv och energieffektiv lösning.

Talrepresentationen som används i inferensmotorn påverkar prestanda. Inom maskininlärning används oftast decimalkomma och reducerad precision, såsom åttabitars heltal (Int8). Med hjälp av Int8 kan konstruktörer erhålla en maskininlärningsinferensmotor i programmerbar logik. Int8-operationen använder dedikerade DSP-block (DSP48E2) som finns i UltraScale+-arkitekturen. 

DSP-blocken höjer prestanda då de är dedikerade MAC-block, utformade för fastpunktsaritmetik. Deras struktur bäddar också för resurseffektivitet, eftersom varje block kan utföra två Int8-MAC-operationer om de använder samma vikter. Metoden kan ge upp till 1,75 gånger högre genomströmning och två till sex gånger ökad energieffektivitet (uttryckt i giga-operationer per sekund per watt) jämfört med konkurrerande enheter.

ReVISION minskar utvecklingstiden och ger en mer responsiv, energieffektiv och flexibel lösning vid konstruktion av bildbehandlingssystem för seende robotar och drönare. Jämfört med GPU-lösningar ger Zynq-7000 SoC eller Zynq UltraScale + MPSoC en femtedel av latensen. Likaså ökar prestanda och energieffektivitet motsvarande 6x (bilder per sekund per watt) vid maskininlärningstillämpningar och upp till 42x (bildrutor per sekund per watt) vid så kallad embedded vision.

Visuellt styrda drönare och robotar måste också konstrueras med hänsyn tagen till säkerhet – allt för att hindra obehörig modifiering eller att någon kommer åt systemet och dess data. Även om säkerhet måste byggas från systemnivå och nedåt så erbjuder Zynq-7000 SoC och Zynq UltraScale + MPSoC flera säkerhetsaspekter på krets- och systemnivå. Utvecklare kan exempelvis kryptera och verifiera boot- och konfigurationsprocessen, samtidigt som de stödjer Trustzone-teknik. Med Trustzone går det att skapa ortogonala världar med hjälp av en hypervisor. 

Likaså kan den inbyggda AD-omvandlaren eller systemmonitorn användas för att övervaka spänningar, temperaturer och externa parametrar för att på så sätt förhindra manipulering. Det finns även ett flertal andra konstruktionsval som ytterligare kan öka säkerheten – allt beroende av kravet på systemet.

ANNONS:

Oktoberchansen

Vill du ha en Raspberry Pi – den populära enkortsdatorn från Farnell element14?
    Vi delar ut tio Raspberry Pi 3 Model B+ bland de som tecknar en ny prenumeration på Elektroniktidningen under september och oktober. Även trogna prenumeranter som förnyar sina uppgifter kan delta i kampanjen.
    Farnell element14 sponsrar kampanjen, som pågår fram till midnatt den 31 oktober.
    OBS glöm inte att kryssa i rutan för nyhetsbrev för att kunna vara med i utdelningen!
Prenumerera och delta!
MER LÄSNING:
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik

Anne-Charlotte
Sparrvik

+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)