宇树G1嵌入式软件架构及技术实现

Open source data collection: https://github.com/unitreerobotics/avp_teleoperate
Open source learning algorithms: https://github.com/unitreerobotics/unitree_IL_lerobot
Open source datasets and models: https://huggingface.co/UnitreeRobotics
#AI #Teleoperation #OpenSourceDataset #Unitree #EmbodiedAI #Humanoid #DataCollection #AGI

一、软件架构设计

宇树G1采用分层式实时控制架构，结合ARM Cortex-R5与FPGA的异构计算能力，实现43自由度1kHz实时控制。其架构分为以下层次：

1. 实时操作系统层：基于RTX5（ARM Cortex-R5）和裸机程序（FPGA），满足强实时性需求。RTX5提供确定性调度（时间片+抢占式）、零中断延迟和5KB ROM/500B RAM的低资源占用。
2. 算法执行层：
   • ARM端：运行状态观测器（卡尔曼滤波）、MPC优化层和QP求解器，处理200μs状态观测+500μs MPC计算[[技术分析-五]]。
   • FPGA端：实现PID硬件加速器、43轴PWM生成（10ns分辨率）和EtherCAT从站（同步精度±50ns）[[技术分析-三]]。
3. 安全监控层：FPGA内独立安全单元，支持看门狗、过流保护（响应<100ns）和双核锁步容错（ASIL-D级）[[技术分析-二]]。
   

二、开发语言与工具链

组件	开发语言/工具	技术特性
ARM Cortex-R5	C/C++、RTX5 API	GCC编译器优化内存操作，RTX5配置向导实现优先级调度
FPGA	VHDL/Verilog、Xilinx Vivado	并行计算架构实现43轴力矩计算延迟<20μs，硬件PID加速速度提升50倍
通信协议	EtherCAT（FPGA实现）、TCP/IP（ARM端裁剪版）	采用前向纠错编码+自适应心跳机制，数据包误码率<10⁻⁷
AI算法	Python（强化学习框架）、LeRobot（开源数据集接口）	支持JSON到LeRobot格式转换，提供视觉识别API和运动控制SDK

三、核心组件架构

1. 实时控制组件

控制栈组件
├── 传感器接口层（FPGA）
│   ├── QEI解码器*43（32位计数器）
│   ├── ADC分时复用采集（TDMA机制，总耗时200μs）
│   └── 电流环采样（50kHz更新率）
├── 执行层（FPGA）
│   ├── 硬件PID阵列（三环控制）
│   └── 力矩输出模块（43通道独立PWM）
└── 决策层（ARM）
    ├── MPC预测引擎（20ms时域，内点法求解）
    └── 容错管理器（双核校验周期<10ns）

2. 通信协议栈

\text{通信延迟} = \underbrace{50\mu s}_{\text{Crossbar总线}} + \underbrace{20\mu s}_{\text{EtherCAT同步}} + \underbrace{5\mu s}_{\text{安全校验}}

• EtherCAT从站：100Mbps带宽，支持±50ns时钟同步[[技术分析-三]]
• 数据安全：全路径ECC校验+CRC32冗余，满足ISO 26262标准[[技术分析-二]]

3. 中间件组件

中间件模块	功能描述	性能指标
关节控制中间件	统一23-43轴关节接口，支持力位混合控制	灵巧手操作精度±0.1mm
感知融合中间件	整合D435深度相机+MID360激光雷达数据	360°探测刷新率30Hz
能源管理中间件	动态功耗分配算法，支持2小时续航	能耗效率0.8kW·h/km[[技术分析-六]]

四、关键技术参数对比

指标	宇树G1实现	行业典型方案
控制周期确定性	±1μs抖动	±10μs（ROS2实时版）
多轴同步精度	±50ns	±200ns（CANopen）
异常响应延迟	100ns（硬件级）	1ms（软件中断）
算法迭代周期	1kHz（在线MPC）	100Hz（离线规划）

五、演进方向

1. 架构升级：向Cortex-R82+自适应SoC过渡，集成NPU加速AI推理
2. 协议增强：部署TSN以太网，实现1Gbps带宽和μs级时间同步
3. 开发工具：完善RoboCup SDK，提供强化学习仿真-部署一体化工具链

该架构通过硬件加速（FPGA）+确定性调度（RTX5）的组合，在1ms控制周期内完成从传感器采集到43轴输出的全链路处理，相比波士顿动力系统缩短40%的着地稳定时间。