Visuele functies staan centraal bij het ontwerpen van robottoepassingen die de fysieke wereld in realtime waarnemen en zich daaraan aanpassen. Robotsystemen opereren in dynamische en vaak onvoorspelbare omgevingen, en sensorgegevens moeten binnen milliseconden worden verzameld, verzonden, verwerkt en omgezet in actie. Elke toename van de vertraging, verlies van gegevens of inconsistentie in de tijd kan de prestaties verslechteren en zelfs een veiligheidsrisico creëren.
Naarmate robotsystemen zich richten op op machine learning gebaseerde detectiemogelijkheden, die afhankelijk zijn van grote hoeveelheden visuele gegevens in plaats van taakspecifieke programmering, worden deze beperkingen steeds veeleisender. Hierdoor kunnen robottoepassingen zich aanpassen aan nieuwe objecten, omgevingen en taken met minimale herprogrammering.
Deze trends leggen een toenemende druk op de manier waarop visuele gegevens in robotsystemen kunnen worden overgedragen. Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL)-technologie vergemakkelijkt ontwerpuitdagingen door de sensorconnectiviteit te vereenvoudigen, de bedradingscomplexiteit te verminderen en robuuste gegevensoverdracht met lage latentie tussen gedistribueerde camera's en centrale computermodules mogelijk te maken.
GMSL is oorspronkelijk ontworpen voor automobieltoepassingen zoals Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) en wordt nu veel gebruikt in robotica en machine vision-systemen om externe camera's en sensoren met een lage latentie en robuuste immuniteit voor elektromagnetische interferentie te verbinden.
GMSL, ontwikkeld door Analog Devices, is een snelle seriële/de-string (SerDes) communicatietechnologie die video en gegevens met hoge bandbreedte verzendt via een enkele coaxiale kabel of twisted pair. Elke camera deelt geen netwerkstructuur, maar werkt via een speciale hogesnelheidsverbinding, waardoor conflicten, routering en pakketgebaseerde variabiliteit worden geëlimineerd. Hierdoor ontstaat een voorspelbaar datapad met consistente tijd en vertraging, zelfs als het aantal sensoren toeneemt.
De GMSL-serializer converteert een reeks pixelgegevens die doorgaans parallel via meerdere afzonderlijke signaallijnen worden verzonden, naar een continue seriële gegevensstroom met hoge snelheid. Aan de processorkant converteert de destring het terug naar het originele formaat. Omdat elke camera zijn eigen point-to-point-verbinding heeft, is de bandbreedte lineair gerelateerd aan het aantal camera's, wat geen netwerkconflicten, schakeloverhead of vertraging in de planning van datapakketten zal veroorzaken.
De voordelen van deze aanpak worden duidelijker wanneer het visionsysteem wordt uitgebreid naar meerdere camera's met hoge resolutie. In tegenstelling tot toepassingen met één camera vereisen deze systemen een dichte, gesynchroniseerde visuele dekking ter ondersteuning van taken als navigatie, manipulatie en real-time begrip van scènes. Naarmate het aantal sensoren toeneemt, nemen de eisen aan bandbreedte, bedrading en timingnauwkeurigheid toe, waardoor de beperkingen van traditionele korteafstandsbordverbindingen bloot komen te liggen.
Traditionele benaderingen zoals USB, standaard Ethernet of directe MIPI-verbindingen op bordniveau vereisen onvermijdelijk compromissen op het gebied van latentie, synchronisatie of fysieke dekking. Naarmate er steeds meer camera's worden gebruikt, blijft de complexiteit van bekabeling, timingbeheer en systeemontwerp toenemen, wat ook een steeds grotere uitdaging vormt voor de technologie-integratie.
GMSL biedt verschillende duidelijke voordelen ten opzichte van andere visuele verbindingsmethoden:
Het overtreft MIPI CSI-2 wat betreft dekking en robuustheid, terwijl het een eenvoudige point-to-point-architectuur met lage latentie behoudt die de complexiteit van een op Ethernet gebaseerde visuele stack vermijdt.
GMSL geeft de voorkeur aan deterministische point-to-point-connectiviteit en eenvoudigere synchronisatie van meerdere camera's boven de flexibiliteit van het grootschalige gedistribueerde netwerk van Ethernet.
De prestaties van deze oplossing zijn grofweg vergelijkbaar met die van FPD-Link, een andere speciale SerDes-oplossing. De keuze hangt vaak af van een alomvattende afweging van ecosystemen.
GMSL brengt ingebedde en genetwerkte vision-systemen in evenwicht door een praktische methode te bieden voor snelle cameraconnectiviteit met deterministische prestaties met lage latentie. Dit vereenvoudigt snelle visuele connectiviteit terwijl de strenge latentie- en betrouwbaarheidseisen van realtime robotsystemen behouden blijven.
Hoge snelheid, grote capaciteit
Met de toenemende cameraresolutie en het aantal sensoren worden deze structurele voordelen de sleutel tot systeemsucces. GMSL kan via één kabel grote hoeveelheden gegevens, vooral videogegevens, van meerdere camera's of andere sensoren verzenden. Dit schema maakt gebruik van speciale point-to-point-verbindingen zonder netwerkconflicten of pakketroutering. Ontwerpers kunnen GMSL gebruiken om datastromen met hoge bandbreedte te verzenden via coaxiale of twisted-pair-kabels, terwijl de latentie en hoge ruisimmuniteit behouden blijven zonder meerdere verbindingen per punt te gebruiken.
Deze technologie vereenvoudigt de bedrading in auto's, verbetert de robuustheid, en deze eigenschappen zijn rechtstreeks belichaamd in de robotica: minder kabels vereenvoudigen elektrische en mechanische ontwerpen, waardoor systemen lichter, betrouwbaarder en gemakkelijker te assembleren zijn. Gedistribueerde camera's kunnen zonder computermodules worden geïnstalleerd, met minimale bekabeling, en toch betrouwbaar gesynchroniseerde gegevens met lage latentie leveren ter ondersteuning van realtime detectie en besluitvorming.
Robots maken steeds meer gebruik van meerdere camera's met hoge resolutie, soms gecombineerd met dieptesensoren of PLIDAR (lichtdetectie en bereik) om hun omgeving waar te nemen (Figuur 1). Elke camera genereert een grote hoeveelheid gegevensstroom wanneer deze alleen wordt gebruikt, en wanneer meerdere camera's tegelijkertijd worden gebruikt, worden de bandbreedtevereisten verhoogd. Eén camera met een resolutie van 1080p, 30 frames per seconde (fps), 24-bit per pixel camera genereert een transmissiesnelheid van 1,4 Gbps, dus vier camera's genereren een transmissiesnelheid van 5,6 Gbps en zes camera's genereren een transmissiesnelheid van 8,4 Gbps. Door toepassing van een hogere resolutie en framerate kan de bandbreedtebehoefte oplopen tot tientallen gigabits per seconde.