Desarrollo de arquitectura SoPC para robot móvil basado en FPGA

Andrés David  Suárez Gómez; Jorge Orlando  Bareño Quintero

doi:10.22490/25394088.7506

Vol. 17 Núm. 4 (2023): Edición especial Expotech

Publicado 11-12-2023

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Derechos de autor 2023 Publicaciones e Investigación

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Desarrollo de arquitectura SoPC para robot móvil basado en FPGA

DOI: https://doi.org/10.22490/25394088.7506

Andrés David Suárez Gómez Universidad Nacional Abierta y a Distancia

Jorge Orlando Bareño Quintero Universidad Nacional Abierta y a Distancia

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Resumen
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En el contexto del rápido avance en el campo de la robótica móvil, la necesidad de sistemas eficientes y con alto poder de procesamiento embebido ha surgido como un desafío fundamental. En este artículo se aborda dicha problemática mediante el uso de FPGAs, dispositivos subutilizados en la literatura para el desarrollo de arquitecturas con co-diseño H/S (hardware/software) en robots móviles. Se destaca la idoneidad de las FPGAs para este propósito, ya que ofrecen un equilibrio entre eficiencia y bajo consumo de energía. El artículo se centra en la implementación de una arquitectura basada en SoPC (System on Programmable Chip) diseñada específicamente para un robot móvil de tracción diferencial basado en FPGA. Los aspectos más relevantes del diseño se presentan mediante diagramas que ilustran la disposición y la interconexión de los componentes clave. La implementación práctica de esta arquitectura se llevó a cabo en un robot móvil cuya unidad de procesamiento es una tarjeta de desarrollo DE0 Nano equipada con una FPGA Cyclone® IV. Los resultados obtenidos revelan un comportamiento exitoso de la arquitectura en términos de interfaz con sensores, actuadores y procesamiento de datos. La eficiencia del diseño se refleja en la ocupación equilibrada de recursos en la FPGA, destacando el 67% de área lógica aún disponible para futuras implementaciones de módulos para aceleración de hardware. Este artículo demuestra la viabilidad y eficacia de las FPGAs en el diseño de arquitecturas avanzadas para robots móviles, proporcionando una base sólida para futuras investigaciones y desarrollos en el campo de la robótica.

Palabras clave: Co-diseño H/S, FPGA, Robot móvil, SoPC

Al-Khalidy, M. M. M., Ebrahim, R. N., & Al-Khalidy, A. (2020). Artificial intelligent and FPGAs for omnidirectional 3-wheeled mobile robot. 3rd Smart Cities Symposium (SCS 2020), 2020, 124–129. https://doi.org/10.1049/icp.2021.0821

Chand, R., Chand, R. P., Assaf, M., Naicker, P. R., Narayan, S. V, & Hussain, A. F. (2022). Embedded FPGA-based Motion Planning and Control of a Dual-arm Car-like Robot. 2022 IEEE 7th Southern Power Electronics Conference (SPEC), 1–6. https://doi.org/10.1109/SPEC55080.2022.10058252

Correa-Caicedo, P. J., Barranco-Gutiérrez, A. I., Guerra-Hernandez, E. I., Batres-Mendoza, P., Padilla-Medina, J. A., & Rostro-González, H. (2021). An FPGA-based architecture for a latitude and longitude correction in autonomous navigation tasks. Measurement, 182, 109757. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.measurement.2021.109757

Divya Vani, G., Rao, K. S., & Chinnaiah, M. C. (2022). Self-Automated Parking with FPGA-Based Robot. En T. R. Lenka, D. Misra, & A. Biswas (Eds.), Micro and Nanoelectronics Devices, Circuits and Systems: Select Proceedings of MNDCS 2021 (pp. 459–470). Springer Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-16-3767-4_45

Gu, M., Guo, K., Wang, W., Wang, Y., & Yang, H. (2015). An FPGA-based real-time simultaneous localization and mapping system. 2015 International Conference on Field Programmable Technology (FPT), 200–203.

Kojima, A. (2022). Implementation and Improvement of Autonomous Robot Car using SoC FPGA with DPU. 2022 International Conference on Field-Programmable Technology (ICFPT), 1–4. https://doi.org/10.1109/ICFPT56656.2022.9974526

Liu, S., Wan, Z., Yu, B., & Wang, Y. (2021). Robotic computing on fpgas. Springer.

Miyagi, R., Takagi, N., Kinoshista, S., Oda, M., & Takase, H. (2021). Zytlebot : FPGA integrated ros-based autonomous mobile robot. 2021 International Conference on Field-Programmable Technology (ICFPT), 1–4. https://doi.org/10.1109/ICFPT52863.2021.9609883

Nilay, K., Mandal, S., Agarwal, Y., Gupta, R., Patel, M., Kumar, S., Shah, P., Dey, S., & Annanya. (2020). A Proposal of FPGA-Based Low Cost and Power Efficient Autonomous Fruit Harvester. 2020 6th International Conference on Control, Automation and Robotics (ICCAR), 324–329. https://doi.org/10.1109/ICCAR49639.2020.9108079

Plancher, B., Neuman, S. M., Bourgeat, T., Kuindersma, S., Devadas, S., & Reddi, V. J. (2021). Accelerating Robot Dynamics Gradients on a CPU, GPU, and FPGA. IEEE Robotics and Automation Letters, 6(2), 2335–2342. https://doi.org/10.1109/LRA.2021.3057845

Podlubne, A., & Göhringer, D. (2022). Modeling FPGA-based Architectures for Robotics. 2022 International Conference on Field-Programmable Technology (ICFPT), 1–4. https://doi.org/10.1109/ICFPT56656.2022.9974412

Shi, X., Cao, L., Wang, D., Liu, L., You, G., Liu, S., & Wang, C. (2018). HERO: Accelerating Autonomous Robotic Tasks with FPGA. 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 7766–7772.

Suárez-Gómez, A. D., & Pérez-Holguín, W. J. (2020). Modulo IP basado en FPGA para la decodificación de encoders de cuadratura. Revista Politécnica, 16(32), 68–76. https://doi.org/10.33571/rpolitec.v16n32a6

Suárez-Gómez, A.-D., & Pérez-Holguín, W.-J. (2022). Sistema de odometría basado en codiseño H/S para un robot móvil diferencial. IV Congreso Internacional de Ciencias Básicas e Ingeniería CICI2022, 1–4.

SUDHAKAR, K., PIRAJIN, S. S., SHANMUGAPRIYAN, J., & SUJEETH, S. (2023). Design and Implementation of FPGA based Rescue Bot. 2023 7th International Conference on Computing Methodologies and Communication (ICCMC), 1636–1643. https://doi.org/10.1109/ICCMC56507.2023.10083599

Sun, H., Zhang, Y., Wu, Z., & Xue, J. (2014). The detecting robot based on SOPC. 2014 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, 1935–1939. https://doi.org/10.1109/ICMA.2014.6885998

Tsai, C.-C., Tai, F.-C., & Hsieh, S.-M. (2010). Unified motion controller design and FPGA-based implementation for nonholonomic mobile robots. Proceedings of SICE Annual Conference 2010, 2383–2389.

Wan, Z., Lele, A., Yu, B., Liu, S., Wang, Y., Reddi, V. J., Hao, C., & Raychowdhury, A. (2022). Robotic Computing on FPGAs: Current Progress, Research Challenges, and Opportunities. 2022 IEEE 4th International Conference on Artificial Intelligence Circuits and Systems (AICAS), 291–295. https://doi.org/10.1109/AICAS54282.2022.9869951

Wan, Z., Yu, B., Li, T. Y., Tang, J., Zhu, Y., Wang, Y., Raychowdhury, A., & Liu, S. (2021). A Survey of FPGA-Based Robotic Computing. IEEE Circuits and Systems Magazine, 21(2), 48–74. https://doi.org/10.1109/MCAS.2021.3071609

Wu, Y., Luo, L., Yin, S., Yu, M., Qiao, F., Huang, H., Shi, X., Wei, Q., & Liu, X. (2021). An FPGA Based Energy Efficient DS-SLAM Accelerator for Mobile Robots in Dynamic Environment. En Applied Sciences (Vol. 11, Número 4). https://doi.org/10.3390/app11041828

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Suárez Gómez, A. D. ., & Bareño Quintero, J. O. . (2023). Desarrollo de arquitectura SoPC para robot móvil basado en FPGA. Publicaciones E Investigación, 17(4). https://doi.org/10.22490/25394088.7506

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