پردازنده‌های مناسب برای ربات‌هایی که با بینایی ماشین کار می‌کنند

ربات‌هایی که از بینایی ماشین (Machine Vision) برای انجام وظایف خود استفاده می‌کنند، به پردازنده‌های قدرتمند و تخصصی نیاز دارند. این پردازنده‌ها باید بتوانند حجم زیادی از داده‌های تصویری را در زمان واقعی (Real-Time) پردازش کنند و تصمیمات سریع و دقیقی بگیرند. در این مقاله، به بررسی انواع پردازنده‌های مورد استفاده در این ربات‌ها، ویژگی‌های آن‌ها و معیارهای انتخاب پردازنده مناسب می‌پردازیم. همچنین، آینده‌ی پردازنده‌های بینایی ماشین در رباتیک را بررسی خواهیم کرد.

۱. انواع پردازنده‌های مورد استفاده
الف) پردازنده‌های مرکزی (CPU)
پردازنده‌های مرکزی یا CPUها، هسته‌ی اصلی بسیاری از سیستم‌های کامپیوتری و ربات‌ها هستند. این پردازنده‌ها برای انجام وظایف عمومی و چندمنظوره طراحی شده‌اند و می‌توانند طیف وسیعی از عملیات را انجام دهند. با این حال، در پردازش تصاویر پیچیده و الگوریتم‌های بینایی ماشین، CPUها به دلیل محدودیت در پردازش موازی، کارایی کمتری دارند.
جزئیات بیشتر:
• CPUها معمولاً دارای تعداد محدودی هسته‌ی پردازشی هستند (معمولاً بین ۴ تا ۱۶ هسته).
• برای پردازش تصاویر ساده یا الگوریتم‌های سبک‌وزن، CPUها می‌توانند کافی باشند.
• برخی از CPUهای مدرن مانند پردازنده‌های Intel Core i9 یا AMD Ryzen دارای قابلیت‌هایی مانند شتاب‌دهنده‌های تصویری (Image Processing Units) هستند که عملکرد آن‌ها را در پردازش تصویر بهبود می‌بخشد.

ب) پردازنده‌های گرافیکی (GPU)
پردازنده‌های گرافیکی یا GPUها برای پردازش موازی داده‌های تصویری طراحی شده‌اند. این پردازنده‌ها دارای هزاران هسته‌ی کوچک هستند که می‌توانند عملیات‌های تکراری و موازی را به سرعت انجام دهند. به همین دلیل، GPUها برای اجرای الگوریتم‌های بینایی ماشین و شبکه‌های عصبی عمیق بسیار مناسب هستند.
جزئیات بیشتر:
• GPUها می‌توانند هزاران عملیات را همزمان انجام دهند، که این ویژگی آن‌ها را برای پردازش تصاویر با وضوح بالا و الگوریتم‌های پیچیده ایده‌آل می‌کند.
• شرکت‌هایی مانند NVIDIA با تولید کارت‌های گرافیکی قدرتمند مانند سری Jetson، امکان اجرای بینایی ماشین را در ربات‌ها فراهم کرده‌اند.
• GPUها در ربات‌های خودران، سیستم‌های تشخیص چهره و ربات‌های صنعتی به طور گسترده استفاده می‌شوند.

ج) مدارهای مجتمع با کاربرد خاص (ASIC)
مدارهای ASIC پردازنده‌هایی هستند که برای انجام یک وظیفه خاص طراحی شده‌اند. این پردازنده‌ها معمولاً برای کاربردهای خاص مانند پردازش شبکه‌های عصبی یا بینایی ماشین بهینه‌سازی می‌شوند. به عنوان مثال، پردازنده‌های TPU (Tensor Processing Unit) گوگل برای اجرای الگوریتم‌های یادگیری عمیق طراحی شده‌اند.
جزئیات بیشتر:
• ASICها مصرف انرژی کم و سرعت پردازش بالایی دارند، زیرا برای یک کار خاص بهینه‌سازی شده‌اند.
• این پردازنده‌ها در ربات‌های پیشرفته و سیستم‌های هوش مصنوعی استفاده می‌شوند.
• هزینه تولید ASICها معمولاً بالا است، اما برای کاربردهای خاص بسیار مقرون‌به‌صرفه هستند.

د) پردازنده‌های قابل برنامه‌ریزی (FPGA)
پردازنده‌های FPGA (Field-Programmable Gate Array) انعطاف‌پذیری بالایی دارند و می‌توانند برای انجام وظایف خاص برنامه‌ریزی شوند. این پردازنده‌ها در سیستم‌های بینایی ماشین به دلیل کارایی و انعطاف‌پذیری بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.
جزئیات بیشتر:
• FPGAها می‌توانند برای اجرای الگوریتم‌های خاص بینایی ماشین بهینه‌سازی شوند.
• این پردازنده‌ها در ربات‌های صنعتی و سیستم‌های نظارتی استفاده می‌شوند.
• شرکت‌هایی مانند Xilinx و Intel مدل‌های مخصوص پردازش تصویر را ارائه داده‌اند.

۲. معیارهای انتخاب پردازنده مناسب
انتخاب پردازنده مناسب برای یک ربات با بینایی ماشین به عوامل مختلفی بستگی دارد:
• توان پردازشی:
پردازنده باید قدرت کافی برای اجرای الگوریتم‌های بینایی ماشین را داشته باشد. برای مثال، ربات‌های خودران به پردازنده‌های بسیار قدرتمندی مانند GPU یا TPU نیاز دارند.
• مصرف انرژی:
ربات‌هایی که با باتری کار می‌کنند، به پردازنده‌های کم‌مصرف مانند ASICها یا FPGAها نیاز دارند.
• اندازه و وزن:
پردازنده‌های کوچک و سبک‌تر برای ربات‌های متحرک و کوچک مناسب‌تر هستند.
• هزینه:
برخی پردازنده‌های تخصصی مانند ASICها هزینه بالایی دارند و ممکن است برای پروژه‌های کوچک مقرون‌به‌صرفه نباشند.

۳. آینده پردازنده‌های بینایی ماشین در رباتیک
با پیشرفت فناوری، پردازنده‌های جدیدی در حال توسعه هستند که سرعت پردازش بالاتر و مصرف انرژی کمتری دارند. ترکیب پردازنده‌های چندگانه (مانند CPU، GPU و TPU) می‌تواند عملکرد بهینه‌ای برای ربات‌های هوشمند ایجاد کند. همچنین، پردازنده‌های مبتنی بر معماری نورومورفیک (شبیه‌ساز مغز انسان) می‌توانند تحولی در سرعت و کارایی پردازش بینایی ماشین ایجاد کنند.

آردوینو (Arduino) یک پلتفرم متن‌باز (Open-Source) است که به طور گسترده برای کنترل سخت‌افزارهای الکترونیکی و ربات‌ها استفاده می‌شود. این پلتفرم شامل یک برد توسعه‌ی سخت‌افزاری و یک محیط برنامه‌نویسی ساده (IDE) است که به کاربران اجازه می‌دهد به راحتی کدهای خود را نوشته و بر روی برد آردوینو بارگذاری کنند. آردوینو به دلیل سادگی، انعطاف‌پذیری و هزینه‌ی پایین، به یکی از محبوب‌ترین ابزارها برای علاقه‌مندان به رباتیک، پروژه‌های DIY و حتی پروژه‌های صنعتی کوچک تبدیل شده است.
در این بخش، به معرفی آردوینو به عنوان پردازنده‌ی فرمان‌دهنده به سخت‌افزارهای ربات می‌پردازیم و ویژگی‌ها، مزایا و کاربردهای آن را بررسی می‌کنیم.

۱. آردوینو چیست؟
آردوینو یک میکروکنترلر (Microcontroller) است که می‌تواند به عنوان مغز ربات عمل کند. این بردها قادر به دریافت داده‌ها از سنسورها، پردازش این داده‌ها و ارسال فرمان‌ها به موتورها، LEDها و سایر اجزای سخت‌افزاری هستند. آردوینو از یک میکروکنترلر AVR (مانند ATmega328) استفاده می‌کند و دارای پین‌های ورودی/خروجی دیجیتال و آنالوگ است که به کاربران اجازه می‌دهد به راحتی با سخت‌افزارهای مختلف ارتباط برقرار کنند.

۲. ویژگی‌های اصلی آردوینو
• سادگی:
آردوینو برای افراد مبتدی و حرفه‌ای مناسب است. محیط برنامه‌نویسی آن (Arduino IDE) بسیار کاربرپسند است و از زبان برنامه‌نویسی ساده‌ای مبتنی بر C/C++ استفاده می‌کند.
• انعطاف‌پذیری:
آردوینو با طیف وسیعی از سنسورها، موتورها و ماژول‌های دیگر سازگار است. همچنین، کتابخانه‌های آماده‌ی زیادی برای تسهیل کار با سخت‌افزارهای مختلف وجود دارد.
• هزینه‌ی پایین:
بردهای آردوینو قیمت مناسبی دارند و برای پروژه‌های کوچک و متوسط مقرون‌به‌صرفه هستند.
• جامعه‌ی بزرگ کاربران:
آردوینو دارای یک جامعه‌ی بزرگ و فعال است که هزاران پروژه، آموزش و راهنمایی را به اشتراک گذاشته‌اند.
• قابلیت توسعه:
آردوینو را می‌توان با استفاده از شیلدها (Shields) توسعه داد. شیلدها بردهای اضافی هستند که به آردوینو متصل می‌شوند و قابلیت‌هایی مانند کنترل موتور، اتصال Wi-Fi یا GPS را اضافه می‌کنند.

۳. انواع بردهای آردوینو
آردوینو در مدل‌های مختلفی تولید شده است که هر کدام برای کاربردهای خاصی مناسب هستند. برخی از مدل‌های محبوب عبارتند از:
• آردوینو Uno:
محبوب‌ترین مدل آردوینو است که برای پروژه‌های عمومی و آموزشی مناسب است. دارای ۱۴ پین دیجیتال و ۶ پین آنالوگ است.
• آردوینو Mega:
این مدل دارای پین‌های ورودی/خروجی بیشتر و حافظه‌ی بزرگ‌تری است و برای پروژه‌های پیچیده‌تر مناسب است.
• آردوینو Nano:
یک مدل کوچک و جمع‌وجور است که برای پروژه‌هایی که فضای محدودی دارند، ایده‌آل است.
• آردوینو Due:
این مدل از یک میکروکنترلر ۳۲ بیتی استفاده می‌کند و برای پروژه‌هایی که به قدرت پردازشی بالاتری نیاز دارند، مناسب است.
• آردوینو LilyPad:
این مدل برای پروژه‌های پوشیدنی (Wearable) طراحی شده است و می‌تواند روی پارچه دوخته شود.

۴. کاربرد آردوینو در رباتیک
آردوینو به عنوان پردازنده‌ی فرمان‌دهنده در ربات‌ها می‌تواند وظایف زیر را انجام دهد:
• کنترل موتورها:
آردوینو می‌تواند موتورهای DC، سروو موتورها و استپر موتورها را کنترل کند. برای این کار از درایورهای موتور مانند L298N یا ماژول‌های مخصوص استفاده می‌شود.
• خواندن داده‌ها از سنسورها:
آردوینو می‌تواند داده‌ها را از سنسورهایی مانند سنسورهای فاصله‌سنج (Ultrasonic Sensor)، سنسورهای نور (LDR)، سنسورهای دما و رطوبت (DHT11) و بسیاری دیگر بخواند.
• ارسال فرمان‌ها به خروجی‌ها:
آردوینو می‌تواند LEDها، نمایشگرها (مانند LCD) و سایر اجزای خروجی را کنترل کند.
• ارتباط با سایر دستگاه‌ها:
آردوینو می‌تواند از طریق پروتکل‌هایی مانند I2C، SPI، UART و حتی Wi-Fi یا بلوتوث با سایر دستگاه‌ها ارتباط برقرار کند.

۵. مزایای استفاده از آردوینو در رباتیک
• یادگیری آسان:
آردوینو برای افراد مبتدی که تازه وارد دنیای رباتیک شده‌اند، بسیار مناسب است.
• قابلیت سفارشی‌سازی:
آردوینو را می‌توان برای کاربردهای مختلف سفارشی کرد.
• هزینه‌ی پایین:
بردهای آردوینو و قطعات جانبی آن قیمت مناسبی دارند.
• پشتیبانی گسترده:
هزاران پروژه‌ی آماده و کتابخانه‌های نرم‌افزاری برای آردوینو وجود دارد.

۶. محدودیت‌های آردوینو
• قدرت پردازشی محدود:
آردوینو برای کاربردهای ساده و متوسط مناسب است، اما برای پردازش‌های سنگین مانند بینایی ماشین یا یادگیری عمیق، قدرت کافی ندارد.
• حافظه‌ی محدود:
حافظه‌ی برنامه و داده در آردوینو محدود است و برای پروژه‌های بسیار پیچیده ممکن است کافی نباشد.

۷. آینده‌ی آردوینو در رباتیک
با پیشرفت فناوری، آردوینو نیز در حال توسعه است. مدل‌های جدیدتر مانند آردوینو Portenta و آردوینو Nano 33 IoT قابلیت‌هایی مانند پردازش قدرتمندتر، اتصال به اینترنت و حتی اجرای الگوریتم‌های ساده‌ی یادگیری ماشین را ارائه می‌دهند. این پیشرفت‌ها باعث می‌شود آردوینو همچنان به عنوان یک ابزار محبوب در رباتیک باقی بماند.

نتیجه‌گیری
پردازنده‌ها نقش کلیدی در عملکرد ربات‌های دارای بینایی ماشین ایفا می‌کنند. انتخاب نوع پردازنده به کاربرد خاص ربات، نیازهای پردازشی و محدودیت‌های سخت‌افزاری بستگی دارد. با پیشرفت فناوری، انتظار می‌رود پردازنده‌های کارآمدتر و کم‌مصرف‌تری برای بهبود قابلیت‌های بینایی ماشین در ربات‌ها توسعه یابند. که امروزه با پیشرفت تکنولوژی پردازش موازی Embedded Board هایی مانند سری های جتسون NVIDIA و همچنین Raspberry pi ها به منظور پردازشگرها با توان محاسباتی سنگین تر در ربات به کار رفته و برای کارهای سبک تر شامل کنترل سخت افزار های موجود در ربات مانند موتور ها، سنسورها و … از آردوینو که یک ابزار قدرتمند و انعطاف‌پذیر برای کنترل سخت‌افزارهای ربات است استفاده می شود. بعنوان مثال در رباتهایی که باید با تشخیص شی کار کنند عمل پردازش تشخیص شی توسز جتسون، رزپبری پای و حتی لپ تاپ های کوچک انجام شده و سپس سیگنال جهت هدایت اجزا به سمت آردوینو ارسال می شود. با این حال، در آکادمی هوش مصنوعی کامبیز طباطبایی قصد بر آن است تا بتوان آموزشهای مباحث کنترل سنسورها و اجزای رباتیک را با استفاده از سخت افزارهایی مانند جتسون، رزپبری پای و همچنین آردوینو ارائه دهیم.
#آکادمی هوش مصنوعی کامبیز طباطبائی #بینایی ماشین #یادگیری عمیق #یادگیری ماشین #ریزپردازنده #Embedded Board