طراحی و توسعه سامانه بینایی ماشین سخت افزاری مبتنی بر FPGA برای ربات های کوچک خودکار

پژوهش حاضر با هدف طراحی و توسعه سامانه بینایی ماشین سخت افزاری مبتنی بر FPGA برای ربات های کوچک خودکار انجام شد. در این تحقیق، ابتدا الگوریتم های پردازش تصویر شامل فیلتر سوبل، Gaussian و ترکیبی از آن ها در محیط MATLAB شبیه سازی شد و کارایی آن ها از نظر دقت تشخیص مسیر، سرعت پردازش و حساسیت به شرایط نوری مورد ارزیابی قرار گرفت. الگوریتم برتر برای پیاده سازی روی FPGA انتخاب شد و با استفاده از زبان توصیف سخت افزار VHDL و معماری Pipeline بر روی تراشه Xilinx Zynq-۷۰۰۰ طراحی و سنتز گردید. نتایج نشان داد که نسخه سخت افزاری سامانه در مقایسه با نسخه نرم افزاری، سرعت پردازش فریم را تا ۳.۶ برابر افزایش داده، توان مصرفی را حدود ۳۷٪ کاهش داده و دقت تشخیص مسیر و موانع را به ۹۷.۵٪ ارتقا داده است. همچنین طراحی ماژولار سامانه موجب شد که تنها حدود ۵۵٪ از منابع منطقی FPGA استفاده شود و امکان توسعه و افزودن ماژول های جدید فراهم گردد. یافته ها نشان می دهد که استفاده از FPGA برای سامانه های بینایی ماشین در ربات های کوچک خودکار، ضمن بهبود سرعت و دقت، مصرف انرژی را کاهش می دهد و می تواند پایه ای مناسب برای توسعه ربات های هوشمند کم مصرف و کاربردی فراهم کند. چالش هایی مانند محدودیت منابع سخت افزاری، حساسیت به نور محیط و پیچیدگی طراحی در این پژوهش شناسایی شد و راهکارهایی مانند بهینه سازی الگوریتم ها، استفاده از شبکه های عصبی سبک وزن و پلتفرم های ترکیبی FPGA + ARM برای بهبود عملکرد سامانه ارائه شد.

کلیدواژه ها:

بینایی ماشین ، FPGA ، ربات خودکار کوچک ، پردازش تصویر بلادرنگ ، معماری Pipeline ، بهینه سازی سخت افزاری ، مصرف توان کم.