Visuelle Funktionen sind von zentraler Bedeutung für die Entwicklung von Roboteranwendungen, die die physische Welt in Echtzeit wahrnehmen und sich daran anpassen. Robotersysteme arbeiten in dynamischen und oft unvorhersehbaren Umgebungen, und Sensordaten müssen in Millisekunden erfasst, übertragen, verarbeitet und in Maßnahmen umgesetzt werden. Jede Erhöhung der Verzögerung, Datenverlust oder Zeitinkonsistenz kann die Leistung beeinträchtigen und sogar ein Sicherheitsrisiko darstellen.
Da Robotersysteme auf maschinelles Lernen basierende Sensorfunktionen nutzen, die auf großen Mengen visueller Daten statt auf aufgabenspezifischer Programmierung basieren, werden diese Einschränkungen immer anspruchsvoller. Dadurch können sich Roboteranwendungen mit minimaler Neuprogrammierung an neue Objekte, Umgebungen und Aufgaben anpassen.
Diese Trends erhöhen den Druck auf die Art und Weise, wie visuelle Daten in Robotersystemen übertragen werden. Die Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL)-Technologie erleichtert Designherausforderungen, indem sie die Sensorkonnektivität vereinfacht, die Verkabelungskomplexität reduziert und eine robuste Datenübertragung mit geringer Latenz zwischen verteilten Kameras und zentralen Rechenmodulen ermöglicht.
GMSL wurde ursprünglich für Automobilanwendungen wie Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) entwickelt und wird heute häufig in Robotik- und Bildverarbeitungssystemen verwendet, um entfernte Kameras und Sensoren mit geringer Latenz und robuster Immunität gegen elektromagnetische Störungen zu verbinden.
GMSL, entwickelt von Analog Devices, ist eine Hochgeschwindigkeits-Seriell/De-String-Kommunikationstechnologie (SerDes), die Videos und Daten mit hoher Bandbreite über ein einzelnes Koaxialkabel oder ein verdrilltes Paar überträgt. Jede Kamera teilt keine Netzwerkstruktur, sondern arbeitet über eine dedizierte Hochgeschwindigkeitsverbindung, wodurch Konflikte, Routing und paketbasierte Variabilität vermieden werden. Dadurch entsteht ein vorhersehbarer Datenpfad mit konstanter Zeit und Verzögerung, selbst wenn die Anzahl der Sensoren steigt.
Der GMSL-Serialisierer wandelt einen Satz Pixeldaten, der typischerweise parallel über mehrere einzelne Signalleitungen übertragen wird, in einen kontinuierlichen seriellen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom um. Auf der Prozessorseite konvertiert der Destring ihn wieder in das ursprüngliche Format. Da jede Kamera über eine eigene Punkt-zu-Punkt-Verbindung verfügt, hängt die Bandbreite linear von der Anzahl der Kameras ab, was keine Netzwerkkonflikte, Switching-Overhead oder Verzögerungen bei der Datenpaketplanung verursacht.
Die Vorteile dieses Ansatzes werden deutlicher, wenn das Bildverarbeitungssystem auf mehrere hochauflösende Kameras erweitert wird. Im Gegensatz zu Einzelkameraanwendungen benötigen diese Systeme eine dichte, synchronisierte visuelle Abdeckung, um Aufgaben wie Navigation, Manipulation und Echtzeit-Szenenverständnis zu unterstützen. Mit zunehmender Anzahl von Sensoren steigen die Anforderungen an Bandbreite, Verkabelung und Timing-Genauigkeit, wodurch die Grenzen herkömmlicher Verbindungen auf Platinenebene mit kurzer Reichweite deutlich werden.
Herkömmliche Ansätze wie USB, Standard-Ethernet oder direkte MIPI-Verbindungen auf Platinenebene erfordern zwangsläufig Kompromisse bei Latenz, Synchronisierung oder physischer Abdeckung. Da immer mehr Kameras zum Einsatz kommen, nimmt die Komplexität der Verkabelung, des Timing-Managements und des Systemdesigns immer weiter zu, was auch eine zunehmende Herausforderung für die Technologieintegration darstellt.
GMSL bietet gegenüber anderen visuellen Verbindungsmethoden mehrere offensichtliche Vorteile:
Es übertrifft MIPI CSI-2 in Bezug auf Abdeckung und Robustheit und behält gleichzeitig eine einfache Punkt-zu-Punkt-Architektur mit geringer Latenz bei, die die Komplexität eines Ethernet-basierten visuellen Stacks vermeidet.
GMSL bevorzugt deterministische Punkt-zu-Punkt-Konnektivität und eine einfachere Synchronisierung mehrerer Kameras gegenüber der Flexibilität des großen verteilten Ethernet-Netzwerks.
Die Leistung dieser Lösung ist in etwa vergleichbar mit FPD-Link, einer weiteren dedizierten SerDes-Lösung. Die Wahl hängt oft von einer umfassenden Betrachtung der Ökosysteme ab.
GMSL gleicht eingebettete und vernetzte Bildverarbeitungssysteme aus, indem es eine praktische Methode der Hochgeschwindigkeits-Kamerakonnektivität mit deterministischer Leistung mit geringer Latenz bietet. Dies vereinfacht die visuelle Hochgeschwindigkeitskonnektivität und erfüllt gleichzeitig die strengen Latenz- und Zuverlässigkeitsanforderungen von Echtzeit-Robotersystemen.
Hohe Geschwindigkeit, große Kapazität
Mit zunehmender Kameraauflösung und Anzahl der Sensoren werden diese strukturellen Vorteile zum Schlüssel für den Systemerfolg. GMSL kann große Datenmengen, insbesondere Videodaten, von mehreren Kameras oder anderen Sensoren über ein einziges Kabel übertragen. Dieses Schema verwendet dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ohne Netzwerkkonflikte oder Paketrouting. Entwickler können GMSL verwenden, um Datenströme mit hoher Bandbreite über Koaxial- oder Twisted-Pair-Kabel zu übertragen und dabei eine geringe Latenz und hohe Störfestigkeit aufrechtzuerhalten, ohne mehrere Verbindungen pro Punkt zu verwenden.
Diese Technologie vereinfacht die Automobilverkabelung, verbessert die Robustheit und diese Eigenschaften kommen direkt in der Robotik zum Ausdruck: Weniger Kabel vereinfachen elektrische und mechanische Konstruktionen, wodurch Systeme leichter, zuverlässiger und einfacher zu montieren sind. Verteilte Kameras können mit minimalem Verkabelungsaufwand entfernt von Computermodulen installiert werden und liefern dennoch zuverlässig synchronisierte Daten mit geringer Latenz, um die Echtzeiterfassung und Entscheidungsfindung zu unterstützen.
Roboter verlassen sich zunehmend auf mehrere hochauflösende Kameras, manchmal kombiniert mit Tiefensensoren oder PLIDAR (Light Detection and Ranging), um ihre Umgebung zu erfassen (Abbildung 1). Jede Kamera erzeugt einen großen Datenfluss, wenn sie einzeln verwendet wird, und wenn mehrere Kameras gleichzeitig verwendet werden, erhöhen sich die Anforderungen an die Bandbreite. Eine Kamera mit 1080p-Auflösung, 30 Bildern pro Sekunde (fps) und 24 Bit pro Pixel erzeugt eine Übertragungsrate von 1,4 Gbit/s, sodass vier Kameras eine Übertragungsrate von 5,6 Gbit/s und sechs Kameras eine Übertragungsrate von 8,4 Gbit/s erzeugen. Die Anwendung einer höheren Auflösung und Bildrate kann den Bandbreitenbedarf auf Dutzende Gigabit pro Sekunde erhöhen.