Jednotky
1. Úvod do umelej inteligencie v mechatronike, bezpečnostnom a overovacom rámci 2. Umelá inteligencia v robotike a riadení pohybu 3. Vstavané systémy a generovanie kódu mikrokontrolérov 4. Sensor Fusion a IoT Data Integration 5. Riadiace algoritmy: ladenie podporované PID a AI 6. Priemyselná automatizácia a programovanie PLC 7. Návrh a simulácia na základe modelov 8. Prediktívna údržba 9. Strojové videnie a kontrola kvality
Jednotka 3 / 9

Vstavané systémy a generovanie kódu mikrokontrolérov

zisky:

  • Schopnosť generovať vložený kód daný registrom a hardvérovým kontextom pre Arduino/STM32/ESP32 s AI
  • Schopnosť rozpoznať a opraviť vložené vzory, ako sú prerušenia, časovače a neblokujúce slučky vo výstupe AI
  • Schopnosť skontrolovať vygenerovaný kód z hľadiska pamäte, v reálnom čase a bezpečnosti pred jeho nahraním na hardvér

V mechatronike je mikrokontrolér miestom, kde sa nápady stretávajú s fyzickým svetom. Karty ako Arduino, STM32, ESP32; číta senzory, poháňa aktuátory, komunikuje a to všetko s obmedzenou pamäťou, obmedzeným výpočtovým výkonom a prísnymi požiadavkami na časovanie. Umelá inteligencia je v tejto oblasti veľmi užitočná: dokáže extrahovať nastavenia registra na základe údajového listu senzora, kódovať komunikačný protokol, nastaviť prerušenie časovača. Ale vstavané systémy sú jednou z oblastí, kde AI produkuje „najpresvedčivejšie klamstvá“; pretože adresy registrov, bitové masky a časovanie sú špecifické pre dosku a jedna bitová chyba narúša celé správanie. V tejto časti sa zaoberáme tým, ako nechať vygenerovať vložený kód pomocou AI a ako ho skontrolovať pred jeho načítaním do hardvéru.

Rozdiel medzi vstavaným kódom a čistým softvérom

Desktopový program má dostatok pamäte, operačný systém a jednoduché ladenie. Vloženému kódu chýba väčšina z nich:

Veľkosť

pracovnej plochy

vstavaný systém

pamäť

úroveň GB

Úroveň kB (napr. 2 kB pamäte RAM)

načasovanie

Vo všeobecnosti flexibilné

Tesné, v reálnom čase

ladenie

Jednoduché (ladiaci program, denník)

Pevný (JTAG, sériový, LED)

Výsledok chyby

Program spadne

Pohon/hardvér môže byť poškodený

prístup k zdrojom

Abstrakty OS

Priamy prístup do registra

Tieto rozdiely určujú vaše kritériá na vyhodnotenie výstupu AI: využitie pamäte, real-time (neblokovanie) a presnosť hardvérového registra sú vždy na začiatku vášho kontrolného zoznamu.

Blokátor vs neblokovací kód

Najčastejšou chybou, ktorú robia začiatočníci (a často ju robia AI), je použitie delay(). delay(1000) zablokuje procesor na 1 sekundu; Počas tohto obdobia nie je možné čítať žiadne ďalšie senzory, ovládať žiadne tlačidlá. To je v mechatronike neprípustné. Namiesto toho sa používa neblokujúci vzor založený na millis().

// BAD: blocker -- procesor nemôže 1 sekundu vykonávať žiadnu inú prácu void loop() { digitalWrite(LED, HIGH); oneskorenie(1000); // všetko sa zastaví digitalWrite(LED, LOW); oneskorenie(1000); // Núdzové tlačidlo sa momentálne nedá prečítať!}// DOBRE: neblokuje sa -- slučka nie je zablokovaná, ostatné úlohy sa spúšťajú if (nowMs - previousMs >= interval) { previousMs = nowMs; ledStatus = !ledStatus; digitalWrite(LED, ledStatus); } tlacidloKontrola(); // môže bežať v každom cykle sensorRead(); //môže bežať v ľubovoľnej slučke}

Neblokovací vzor je základom zabudovanej mechatroniky: riadiaca slučka plynie nepretržite, žiadna úloha nezablokuje inú. Povedať AI, aby pri písaní kódu „nepoužívajte oneskorenie, píšte neblokovanie založené na miliskách“, priamo zlepšuje kvalitu výstupu.

Tip: Hľadajte oneskorenie ( vo vloženom kóde z AI. Ak vidíte oneskorenie v hlavnej riadiacej slučke, tento kód najčastejšie nie je vhodný pre systém v reálnom čase a mal by byť prepísaný.

Prerušenia a časovače

Zachytávame časovo kritické udalosti (impulz kódovača, tlačidlo, periodické vzorkovanie) s prerušeniami namiesto čakania v hlavnej slučke. Rutina prerušenia (ISR) by mala byť napísaná krátko a opatrne: žiadne oneskorenia, Serial.print alebo dlhé výpočty v nej; Zdieľané premenné sú označené ako volatilné.

volatile long encoderCounter = 0; // ISR a slučka sú zdieľané -> volatilná podmienka void enkoderISR() { // Short ISR: len počítaj, nerob žiadnu inú prácu if (digitalRead(ENC_B)) enkoderCounter++; else encoderCounter--;}void setup() { pinMode(ENC_A, INPUT_PULLUP); pinMode(ENC_B, INPUT_PULLUP); connectInterrupt(digitalPinToInterrupt(ENC_A), enkoderISR, RISING);}void loop() { long counter; noInterrupts(); //krátke prerušenia pre atómový čítač čítania = encoderCounter; prerusuje(); //bezpečná transakcia s prepážkou...}

Tri kritické body v tomto príklade sú miesta, kde AI ​​často chýba: (1) zdieľaný encoderCounter musí byť „volatilný“, inak optimalizácia kompilátora vynechá aktualizácie; (2) ISR by mala byť krátka; (3) Pri čítaní viacbajtovej premennej v hlavnej slučke musia byť prerušenia pre atómové čítanie na krátku dobu uzavreté, inak môže ISR zasiahnuť počas čítania a môže sa prečítať polovičná/poškodená hodnota (race condition). Nezabudnite skontrolovať, či sú tieto tri prítomné v kóde AI.

Registrovať presnosť a údajový list

AI môže vierohodne skresľovať adresu registra senzora alebo konfiguračný bit MCU. Napríklad register správy napájania jednotky MPU6050 IMU je 0x6B; Ak to AI ​​uvedie ako 0x6A, kód sa skompiluje, zdá sa, že funguje, ale senzor sa neprebudí. Takéto chyby sa zistia iba pri porovnaní s údajovým listom.

// prebudenie MPU6050: podľa datasheetu PWR_MGMT_1 = 0x6B, hodnota 0x00#definuje MPU_ADDR 0x68#definuje PWR_MGMT_1 0x6B // <-- VERIFY od datasheetWire.beginTransmission(MPU_ADDR);Wire.write(PWR_MGMT_1);Wire.write(0x00); // prebudenie z režimu spánkuWire.endTransmission(true);

Upozornenie: Overte si každú adresu registra, bitovú masku a adresu I2C/SPI pridelenú AI z údajového listu. Tieto hodnoty sú špecifické pre kartu a čip; Hodnota, ktorú si AI „pamätá“, môže byť z inej revízie čipu. Nesprávny register ticho vedie k nesprávnemu správaniu.

Slabá výzva / silná výzva

SLABÝ:"Načítajte snímač teploty na ESP32."(Ktorý snímač? Ktorý protokol? Ktorý kolík? Všeobecný, pravdepodobne nesprávny kód.)SILNÝ:"Prečítajte snímač teploty DS18B20 na ESP32 (rámec Arduino) z GPIO4 s OneWire. Neblokovaný zápis, vzorka každú 1 sekundu (pomocou oneskorenia špecifikujte hodnotu chyby 27 alebo opravte hodnotu -1). každá knižnica a pripojenie pinov, ktoré použijete v prvom komentári, z pamäťových dôvodov použite namiesto reťazca String char buffer."

Výkonná výzva; Poskytuje čip, rámec, senzor, protokol, pin, vzor vzorkovania, chybový stav a pamäťové obmedzenie. Týmto spôsobom je výstup overiteľný a realistický.

Skontrolujte kontrolný zoznam pre vložený kód

Pred načítaním výstupu AI ho prejdite cez tento zoznam:

  1. Blokovanie: Existuje oneskorenie alebo dlhé blokovanie v hlavnej slučke?
  2. volatilné: Sú premenné zdieľané s ISR volatilné?
  3. Atómový prístup: Je viacbajtová zdieľaná premenná bezpečná na čítanie?
  4. Register: Sú adresy a bitové masky kompatibilné s údajovým listom?
  5. Pamäť: Reťazec, veľké polia, vytvára rekurzia pretečenie úrovne KB?
  6. Spracovanie chýb: Riešia sa chyby čítania snímača, časové limity komunikácie?
  7. Bezpečný štart: Sú výstupy pohonu pri spustení v bezpečnom (pasívnom) stave?

Mini puzdro

Inžinier vstavaných systémov Baran nechal AI napísať kód, ktorý číta IMU pre dron. Kód sa skompiluje a zdá sa, že funguje, ale hodnoty uhla sú bezvýznamné. Baran použije kontrolný zoznam: porovná adresy registrov s údajovým listom a zistí, že AI ​​nesprávne vydáva konfiguračný register gyroskopu (0x1A namiesto 0x1B), takže stupnica citlivosti je nesprávna. Po oprave sa hodnoty ustália. Potom delay(10) oznámenia v hlavnej slučke; previesť to na štruktúru založenú na milis, pretože blokovanie slučky riadenia letu je neprijateľné. Nakoniec zistí, že premenná zdieľaného počítadla nie je volatilná a pridá ju. AI dala kostru rýchlo; Zoznam recenzií však zachytil tri samostatné chyby: register, blokovanie a nestálosť a hardvér nebol vôbec ohrozený.

Časté chyby

  • Zabitie odozvy v reálnom čase pomocou delay() v hlavnej riadiacej slučke.
  • Vyhnite sa tomu, aby premenná zdieľaná s ISR bola nestála a nedošlo k tichému poškodeniu údajov.
  • Neatomické čítanie viacbajtovej zdieľanej premennej a generovanie rasovej podmienky.
  • Neoveruje sa register/bitové masky dané AI s údajovým listom.
  • Vytvorenie pretečenia pamäte pomocou reťazcov a veľkých polí v obmedzenej pamäti RAM.
  • Zabudnutie na počiatočné zabezpečenie výstupov akčných členov.

V súhrne

  • Vložený kód; Pracuje s obmedzenou pamäťou, krátkym načasovaním a priamym prístupom k registrom.
  • V hlavnej slučke sa namiesto oneskorenia používa neblokovací vzor založený na miliskách.
  • ISR je udržiavaný krátky; zdieľané premenné musia byť nestále a musia mať prístup k atómu.
  • Adresy registrov a bitové masky sa vždy overujú podľa údajového listu; AI sa môže mýliť.
  • Pamäť, spracovanie chýb a stav bezpečného spustenia sú vždy kontrolované.
  • Výkonná výzva; Zahŕňa čip, rámec, senzor, protokol, pin a obmedzenia.

Aplikačná úloha

Vyberte snímač (napr. DS18B20, MPU6050 alebo HC-SR04) a mikrokontrolér (Arduino/ESP32/STM32). Nechajte AI vygenerovať neblokujúci čítací kód pomocou výkonnej šablóny výzvy v tejto jednotke. Potom postupne postupujte podľa siedmich položiek kontrolného zoznamu kontroly: porovnajte aspoň jednu hodnotu registra/kolíka s údajovým hárkom, skontrolujte oneskorenia slučky, skontrolujte volatilný stav zdieľaných premenných. Koľko položiek „prešlo“ na prvý pokus a koľko si vyžiadalo opravu? Zaznamenajte si každý problém, ktorý nájdete, a jeho odstránenie.

Bývalý Ďalej