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、软件架构计划

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

• 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）、零中断耽误和5KB ROM/500B RAM的低资源占用。
  
• 算法实行层：
  
  
  
  • 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盘算[[技术分析-五]]。
    
  • FPGA端：实现PID硬件加速器、43轴PWM天生（10ns分辨率）和EtherCAT从站（同步精度±50ns）[[技术分析-三]]。
    
  
  
• 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-R5C/C++、RTX5 APIGCC编译器优化内存操作，RTX5设置向导实现优先级调度FPGAVHDL/Verilog、Xilinx Vivado并行盘算架构实现43轴力矩盘算耽误<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<10⁻⁷AI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，提供视觉辨认API和运动控制SDK 三、焦点组件架构

1. 实时控制组件

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

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2. 通信协议栈

1. \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}}

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• 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尺度[[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，支持力位混合控制机灵手操作精度±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小时续航能耗服从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）异常响应耽误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

• 架构升级：向Cortex-R82+自适应SoC过渡，集成NPU加速AI推理
  
• 协议增强：摆设TSN以太网，实现1Gbps带宽和μs级时间同步
  
• 开发工具：完善RoboCup SDK，提供强化学习仿真-摆设一体化工具链
  

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收罗到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。

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