第1 章 SoC 及AI 芯片行业分析 ............................................................................ 1
1.1 背景分析 .............................................................................................................. 1
1.2 AI 芯片产业分析 ................................................................................................. 3
1.2.1 AI 芯片研发现状分析 .............................................................................. 3
1.2.2 机器人端的研发现状 ............................................................................... 4
1.2.3 云端的研发现状 ....................................................................................... 5
1.3 机器人研发背景分析 .......................................................................................... 6
1.3.1 工业机器人 ............................................................................................... 6
1.3.2 特殊环境下作业机器人 ........................................................................... 6
1.3.3 面向大众的服务机器人 ........................................................................... 7
第2 章 警用机器人需求定义 .................................................................................. 9
2.1 为什么是警用机器人 .......................................................................................... 9
2.1.1 机器人组装将会日益简单 ....................................................................... 9
2.1.2 机器人的故障率将居高不下 ................................................................. 10
2.1.3 机器人故障将造成严重危害 ................................................................. 11
2.2 我们的定位 ........................................................................................................ 11
2.2.1 技术方案确定 ......................................................................................... 11
2.2.2 适应场景分析 ......................................................................................... 12
2.2.3 功能需求定义 ......................................................................................... 12
第3 章 警用机器人的总体架构 ............................................................................ 14
3.1 警用机器人的总体架构设计 ............................................................................ 14
3.1.1 系统组成设计 ......................................................................................... 14
3.1.2 运行流程设计 ......................................................................................... 15
3.2 “观察者”子系统总体架构设计 .................................................................... 16
3.2.1 飞行的技术选型 ..................................................................................... 16
3.2.2 悬挂缆绳的技术选型 ............................................................................. 18
3.2.3 折叠的技术选型 ..................................................................................... 19
3.2.4 通信的技术选型 ..................................................................................... 19
3.2.5 续航能力的技术选型 ............................................................................. 20
3.3 “摧毁者”子系统总体架构设计 .................................................................... 21
3.3.1 背景技术介绍 ......................................................................................... 21
3.3.2 吸附方法的技术选型 ............................................................................. 22
3.3.3 吸附探测的技术选型 ............................................................................. 25
3.3.4 爬行方法的技术选型 ............................................................................. 25
3.3.5 摧毁方法的技术选型 ............................................................................. 27
第4 章 警用机器人SoC 总体设计 ....................................................................... 28
4.1 SoC 总体流程 .................................................................................................... 28
4.1.1 SoC 芯片设计整体流程 ......................................................................... 28
4.1.2 数字芯片设计流程 ................................................................................. 29
4.1.3 模拟芯片设计流程 ................................................................................. 31
4.2 系统组流程 ........................................................................................................ 33
4.2.1 需求分析 ................................................................................................. 33
4.2.2 架构设计 ................................................................................................. 34
4.3 工艺设计 ............................................................................................................ 35
4.4 封装设计 ............................................................................................................ 36
第5 章 需求分析 .................................................................................................. 38
5.1 功能需求 ............................................................................................................ 38
5.2 Pin 需求 .............................................................................................................. 39
第6 章 数字设计—结构设计 ............................................................................ 40
6.1 芯片架构原理 .................................................................................................... 40
6.1.1 芯片构成原理介绍 ................................................................................. 40
6.1.2 CPU ......................................................................................................... 41
6.1.3 Bus ........................................................................................................... 42
6.1.4 核心外设 ................................................................................................. 43
6.2 掌握设计方法 .................................................................................................... 43
6.2.1 建模工具UML ....................................................................................... 44
6.2.2 设计工具 ................................................................................................. 45
6.3 设计总体结构 .................................................................................................... 47
第7 章 数字设计—概要设计 ............................................................................ 48
7.1 CPU 设计 ........................................................................................................... 48
7.1.1 CPU 内部设计 ........................................................................................ 48
7.1.2 CPU 引脚接口 ........................................................................................ 49
7.1.3 Register 接口 ........................................................................................... 50
7.2 Bus 设计 ............................................................................................................. 50
7.2.1 AHB 总线设计 ........................................................................................ 51
7.2.2 APB 总线设计 ........................................................................................ 52
7.3 Memory Controller 器件设计 ............................................................................ 53
7.3.1 电路原理设计 ......................................................................................... 53
7.3.2 引脚接口设计 ......................................................................................... 54
7.3.3 Register 接口 ........................................................................................... 55
7.4 Clock 器件设计.................................................................................................. 56
7.4.1 电路原理设计 ......................................................................................... 56
7.4.2 引脚接口 ................................................................................................. 57
7.4.3 Register 接口 ........................................................................................... 57
7.5 Interrupt Controller 设计 .................................................................................... 57
7.5.1 电路原理设计 ......................................................................................... 57
7.5.2 引脚接口 ................................................................................................. 58
7.5.3 Register 接口 ........................................................................................... 59
7.6 Internal Memory 器件设计 ................................................................................ 59
7.6.1 电路原理设计 ......................................................................................... 59
7.6.2 引脚接口 ................................................................................................. 60
7.6.3 Register 接口 ........................................................................................... 60
7.7 DMA 器件设计 .................................................................................................. 60
7.7.1 电路原理设计 ......................................................................................... 60
7.7.2 引脚接口 ................................................................................................. 61
7.7.3 Register 接口 ........................................................................................... 62
7.8 USB Controller 器件设计 .................................................................................. 64
7.8.1 电路原理设计 ......................................................................................... 64
7.8.2 引脚接口 ................................................................................................. 64
7.8.3 Register 接口 ........................................................................................... 65
7.9 GPIO 器件设计 .................................................................................................. 66
7.9.1 电路原理设计 ......................................................................................... 66
7.9.2 引脚接口 ................................................................................................. 67
7.9.3 Register 接口 ........................................................................................... 67
7.10 FIFO 器件设计 ................................................................................................ 67
7.10.1 电路原理设计 ....................................................................................... 67
7.10.2 引脚接口 ............................................................................................... 68
7.10.3 Register 接口 ......................................................................................... 68
第8 章 数字设计—AI 协处理器设计 ................................................................. 69
8.1 AI 协处理器工作原理 ....................................................................................... 69
8.1.1 AI 综合打分法 ........................................................................................ 69
8.1.2 AI 的适用范围 ........................................................................................ 74
8.2 AI 的主要算法性能分析 ................................................................................... 75
8.3 AI 芯片的架构设计 ........................................................................................... 78
8.4 AI 芯片的使用步骤是先训练再使用 ............................................................... 80
8.5 警用机器人为何使用AI 芯片 .......................................................................... 81
第9 章 数字设计—详细设计 ............................................................................ 82
9.1 编程语言 ............................................................................................................ 82
9.1.1 芯片语言的基本概念 ............................................................................. 82
9.1.2 芯片语言的基本结构 ............................................................................. 84
9.1.3 设计原理 ................................................................................................. 85
9.2 设计方法举例 .................................................................................................... 86
第10 章 数字设计—单元验证 .......................................................................... 87
10.1 单一部件的时序分析 ...................................................................................... 87
10.1.1 时序分析方法 ....................................................................................... 87
10.1.2 实验波形 ............................................................................................... 87
10.2 单元测试的主要检查项 .................................................................................. 88
10.3 多部件的集成验证 .......................................................................................... 88
10.3.1 拓扑分析 ............................................................................................... 88
10.3.2 接口验证 ............................................................................................... 89
10.4 地址映射 .......................................................................................................... 91
10.5 系统仿真语言 .................................................................................................. 91
10.5.1 System C 语言介绍 ............................................................................... 91
10.5.2 System C 仿真工具 ............................................................................... 92
10.6 System C 仿真实例 .......................................................................................... 93
10.6.1 划分模块 ............................................................................................... 93
10.6.2 行为定义 ............................................................................................... 94
10.7 System C 仿真结论 .......................................................................................... 95
第11 章 模拟设计—概要设计 .......................................................................... 96
11.1 PWM 器件设计 ................................................................................................ 96
11.1.1 电路原理设计 ....................................................................................... 96
11.1.2 引脚接口 ............................................................................................... 98
11.1.3 Register 接口 ......................................................................................... 99
11.2 AD/DA 器件设计 ............................................................................................. 99
11.2.1 ADC 电路原理设计 .............................................................................. 99
11.2.2 DAC 电路原理设计 ............................................................................ 101
11.2.3 引脚接口 ............................................................................................. 103
11.2.4 Register 接口 ....................................................................................... 103
11.3 加速度计器件设计 ........................................................................................ 103
11.3.1 加速度测量原理 ................................................................................. 103
11.3.2 电路原理设计 ..................................................................................... 105
11.3.3 引脚接口 ............................................................................................. 106
11.3.4 Register 接口 ....................................................................................... 107
第12 章 模拟设计—详细设计和单元测试 ...................................................... 108
12.1 编程语言 ........................................................................................................ 108
12.1.1 使用VHDL-AMS 编程 ...................................................................... 108
12.1.2 使用Verilog-AMS 编程 ..................................................................... 110
12.2 电路仿真 ........................................................................................................ 110
12.2.1 仿真工具 ............................................................................................. 110
12.2.2 测试向量 ............................................................................................. 112
12.2.3 SPICE 仿真 ......................................................................................... 114
第13 章 模拟设计—集成验证和系统验证 ...................................................... 116
13.1 噪声来源分析 ................................................................................................ 116
13.1.1 低频噪声 ............................................................................................. 116
13.1.2 半导体器件产生的散粒噪声 ............................................................. 117
13.1.3 高频热噪声 ......................................................................................... 117
13.1.4 电路板上电磁元件的干扰 ................................................................. 117
13.1.5 晶体管的噪声 ..................................................................................... 118
13.1.6 电阻器的噪声 ..................................................................................... 118
13.1.7 集成电路的噪声 ................................................................................. 118
13.2 数字电路带来的电源噪声分析 .................................................................... 119
13.2.1 电源线上的噪声 ................................................................................. 119
13.2.2 地线上的噪声 ..................................................................................... 119
13.3 模拟电路噪声分析 ........................................................................................ 120
13.4 功耗分析 ........................................................................................................ 121
第14 章 后端设计 .............................................................................................. 123
14.1 后端设计工具 ................................................................................................ 123
14.1.1 Synopsys Design Compiler 逻辑综合工具 ......................................... 123
14.1.2 Astro 自动布局布线工具 ................................................................... 125
14.2 怎样把设计变成芯片 .................................................................................... 127
14.2.1 布局分区 ............................................................................................. 127
14.2.2 验证的具体方法 ................................................................................. 129
14.2.3 生产工艺 ............................................................................................. 132
14.2.4 封装工艺 ............................................................................................. 139
14.2.5 生产验证 ............................................................................................. 140
14.3 实物验证 ........................................................................................................ 142
14.4 成本估算 ........................................................................................................ 142
第15 章 警用机器人的硬件集成 ........................................................................ 144
15.1 通过3D 打印设计连接结构 ......................................................................... 144
15.1.1 3D 打印设备 ....................................................................................... 144
15.1.2 打印机身和机翼 ................................................................................. 145
15.1.3 打印爬行脚 ......................................................................................... 145
15.1.4 打印其他组件 ..................................................................................... 146
15.2 设计PCB ....................................................................................................... 146
15.2.1 总体设计 ............................................................................................. 146
15.2.2 最小系统设计 ..................................................................................... 147
15.2.3 启动和复位电路设计 ......................................................................... 148
15.2.4 供电电路设计 ..................................................................................... 148
15.2.5 充电电路设计 ..................................................................................... 149
15.2.6 姿态控制电路设计 ............................................................................. 149
15.2.7 电机驱动电路设计 ............................................................................. 149
15.3 连接与组装 .................................................................................................... 150
15.3.1 安装发动机 ......................................................................................... 150
15.3.2 安装螺旋桨 ......................................................................................... 151
15.3.3 安装摄像头和云台 ............................................................................. 152
15.3.4 安装爬行脚 ......................................................................................... 152
15.3.5 安装摧毁头 ......................................................................................... 153
第16 章 警用机器人的软件集成 ........................................................................ 154
16.1 操作系统选型 ................................................................................................ 154
16.1.1 Arduino 操作系统 ............................................................................... 154
16.1.2 OpenPilot 操作系统 ............................................................................ 155
16.2 驱动程序设计 ................................................................................................ 156
16.2.1 驱动程序设计原理 ............................................................................. 156
16.2.2 加速度传感器驱动程序设计 ............................................................. 157
16.2.3 陀螺仪驱动程序设计 ......................................................................... 161
16.2.4 AI 协处理器驱动程序设计 ................................................................ 163
16.3 “观察者”应用程序设计 ............................................................................ 165
16.3.1 整体架构 ............................................................................................. 165
16.3.2 初始化 ................................................................................................. 166
16.3.3 主循环—100 Hz 循环 ..................................................................... 167
16.3.4 主循环—50 Hz 循环 ....................................................................... 168
16.3.5 主循环—10 Hz 循环 ....................................................................... 169
16.4 “摧毁者”应用程序设计 ............................................................................ 170
16.4.1 整体架构 ............................................................................................. 170
16.4.2 命令接收模块设计 ............................................................................. 171
16.4.3 吸附模块设计 ..................................................................................... 171
16.4.4 爬行模块设计 ..................................................................................... 171
16.4.5 执行模块设计 ..................................................................................... 172
第17 章 警用机器人的AI 训练 .......................................................................... 173
17.1 收集自动校准图像样本 ................................................................................ 173
17.1.1 样本收集 ............................................................................................. 173
17.1.2 样本标注 ............................................................................................. 174
17.2 利用云端资源进行AI 训练 .......................................................................... 174
17.2.1 TensorFlow 简介 ................................................................................. 174
17.2.2 安装CUDA ......................................................................................... 175
17.2.3 安装CUDNN ...................................................................................... 175
17.2.4 安装virtualenv 并下载TensorFlow 文件 .......................................... 176
17.2.5 安装Bazel 编译器 .............................................................................. 176
17.2.6 TensorFlow 编译 ................................................................................. 177
17.2.7 测试 ..................................................................................................... 178
17.2.8 利用TensorFlow 训练图像分类的模型 ............................................ 178
17.3 把AI 训练结果导入“观察者”芯片上 ...................................................... 180
第18 章 警用机器人的全系统测试 ..................................................................... 181
18.1 飞行能力测试 ................................................................................................ 181
18.1.1 测试目的 ............................................................................................. 181
18.1.2 测试方法 ............................................................................................. 181
18.1.3 测试结论 ............................................................................................. 183
18.2 爬行能力测试 ................................................................................................ 183
18.2.1 测试目的 ............................................................................................. 183
18.2.2 测试方法 ............................................................................................. 183
18.2.3 测试结论 ............................................................................................. 184
18.3 吸附能力测试 ................................................................................................ 185
18.3.1 测试目的 ............................................................................................. 185
18.3.2 测试方法 ............................................................................................. 185
18.3.3 测试结论 ............................................................................................. 186
18.4 实施能力测试 ................................................................................................ 186
18.4.1 测试目的 ............................................................................................. 186
18.4.2 测试方法 ............................................................................................. 187
18.4.3 测试结论 ............................................................................................. 187
18.5 观测能力测试 ................................................................................................ 188
18.5.1 测试目的 ............................................................................................. 188
18.5.2 测试方法 ............................................................................................. 188
18.5.3 测试结论 ............................................................................................. 189
18.6 各部件耗电测试 ............................................................................................ 189
18.6.1 测试目的 ............................................................................................. 189
18.6.2 测试方法 ............................................................................................. 189
18.6.3 测试结论 ............................................................................................. 190
18.7 稳定性测试 .................................................................................................... 191
18.7.1 测试目的 ............................................................................................. 191
18.7.2 测试方法 ............................................................................................. 191
18.7.3 测试结论 ............................................................................................. 192
第19 章 警用机器人的商业模式设计 ................................................................. 193
19.1 市场规模分析 ................................................................................................ 193
19.2 投资需求分析 ................................................................................................ 194
19.3 商业模式策划 ................................................................................................ 194
第20 章 下一步研究：AI 总线技术 .................................................................... 195
20.1 AI 总线技术是产业发展的趋势 ................................................................... 195
20.1.1 为什么要做AI 总线 ........................................................................... 195
20.1.2 AI 总线的优势 .................................................................................... 196
20.2 AI 总线对产业界的影响 ............................................................................... 196
20.2.1 AI 总线的市场 .................................................................................... 196
20.2.2 AI 总线的作用 .................................................................................... 196
20.2.3 AI 总线是否会与现有技术、厂商发生冲突 .................................... 197
20.2.4 AI 总线对产业链的影响 .................................................................... 197
20.3 AI 总线的核心技术 ....................................................................................... 197
20.3.1 总线的仲裁技术 ................................................................................. 197
20.3.2 设备的自我注册技术 ......................................................................... 198
20.3.3 设备间的传输技术 ............................................................................. 198
附录A .................................................................................................................. 199
A.1 存储控制器设计完整代码 ............................................................................. 199
A.2 ADC 设计完整代码 ........................................................................................ 229
A.3 AI 训练设计完整代码 .................................................................................... 247
附录B 相关设计资源 ......................................................................................... 257
