Визуальные функции играют центральную роль в разработке приложений для роботов, которые воспринимают физический мир и адаптируются к нему в режиме реального времени. Роботизированные системы работают в динамичных и часто непредсказуемых средах, а данные датчиков должны собираться, передаваться, обрабатываться и претворяться в жизнь за миллисекунды. Любое увеличение задержки, потеря данных или несогласованность во времени могут снизить производительность и даже создать угрозу безопасности.
По мере того как роботизированные системы обращаются к сенсорным возможностям, основанным на машинном обучении, которые полагаются на большие объемы визуальных данных, а не на программирование для конкретных задач, эти ограничения становятся все более жесткими. Это позволяет приложениям роботов адаптироваться к новым объектам, средам и задачам с минимальным перепрограммированием.
Эти тенденции оказывают все большее давление на способы передачи визуальных данных в роботизированных системах. Технология Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) облегчает задачи проектирования, упрощая подключение датчиков, уменьшая сложность проводки и обеспечивая надежную передачу данных с малой задержкой между распределенными камерами и центральными вычислительными модулями.
Первоначально GMSL был разработан для автомобильных приложений, таких как усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS), и в настоящее время широко используется в робототехнике и системах машинного зрения для подключения удаленных камер и датчиков с низкой задержкой и надежной устойчивостью к электромагнитным помехам.
GMSL, разработанная Analog Devices, представляет собой технологию высокоскоростной последовательной/дестрочной связи (SerDes), которая передает видео и данные с высокой пропускной способностью по одному коаксиальному кабелю или витой паре. Каждая камера не имеет общей сетевой структуры, а работает по выделенному высокоскоростному каналу, что исключает конфликты, маршрутизацию и изменчивость пакетов. Это создает предсказуемый путь передачи данных с постоянным временем и задержкой, даже если количество датчиков увеличивается.
Сериализатор GMSL преобразует набор пиксельных данных, которые обычно передаются параллельно по нескольким одиночным сигнальным линиям, в непрерывный высокоскоростной поток последовательных данных. На стороне процессора функция destring преобразует его обратно в исходный формат. Поскольку каждая камера имеет собственный канал «точка-точка», пропускная способность линейно связана с количеством камер, что не приводит к конфликтам в сети, накладным расходам на переключение или задержке планирования пакетов данных.
Преимущества этого подхода становятся более очевидными, когда система технического зрения расширяется до нескольких камер высокого разрешения. В отличие от приложений с одной камерой, этим системам требуется плотное, синхронизированное визуальное покрытие для поддержки таких задач, как навигация, манипулирование и понимание сцены в реальном времени. По мере увеличения количества датчиков возрастают требования к пропускной способности, проводке и точности синхронизации, что обнажает ограничения традиционных межсоединений на уровне платы ближнего действия.
Традиционные подходы, такие как USB, стандартный Ethernet или прямые каналы MIPI на уровне платы, неизбежно требуют компромисса в задержке, синхронизации или физическом покрытии. По мере того, как используется все больше и больше камер, сложность прокладки кабелей, управления синхронизацией и проектирования систем продолжает возрастать, что также представляет собой растущую проблему для интеграции технологий.
GMSL предлагает несколько очевидных преимуществ перед другими методами визуального соединения:
Он превосходит MIPI CSI-2 по охвату и надежности, сохраняя при этом простую двухточечную архитектуру с малой задержкой, которая позволяет избежать сложности визуального стека на основе Ethernet.
GMSL отдает предпочтение детерминированному двухточечному соединению и более простой синхронизации нескольких камер, а не гибкости крупномасштабной распределенной сети Ethernet.
Производительность этого решения примерно сопоставима с FPD-Link, другим специализированным решением SerDes. Выбор часто зависит от всестороннего рассмотрения экосистем.
GMSL балансирует встроенные и сетевые системы машинного зрения, предоставляя практичный метод высокоскоростного подключения камер с детерминированной производительностью с малой задержкой. Это упрощает высокоскоростную визуальную связь, сохраняя при этом строгие требования к задержке и надежности, предъявляемые к роботизированным системам реального времени.
Высокая скорость, большая емкость
С увеличением разрешения камеры и количества датчиков эти структурные преимущества становятся ключом к успеху системы. GMSL может передавать большие объемы данных, особенно видеоданных, от нескольких камер или других датчиков по одному кабелю. В этой схеме используются выделенные каналы «точка-точка» без конкуренции в сети или маршрутизации пакетов. Проектировщики могут использовать GMSL для передачи потоков данных с высокой пропускной способностью по коаксиальному кабелю или витой паре, сохраняя при этом низкую задержку и высокую помехоустойчивость без использования нескольких соединений на точку.
Эта технология упрощает автомобильную проводку, повышает надежность, и эти атрибуты непосредственно воплощены в робототехнике: меньшее количество кабелей упрощает электрические и механические конструкции, делая системы легче, надежнее и проще в сборке. Распределенные камеры могут быть установлены вдали от вычислительных модулей с минимальным количеством кабелей и при этом надежно обеспечивать синхронизированные данные с малой задержкой для поддержки обнаружения и принятия решений в реальном времени.
Роботы все чаще полагаются на несколько камер высокого разрешения, иногда в сочетании с датчиками глубины или PLIDAR (обнаружение света и определение дальности), чтобы воспринимать свое окружение (рис. 1). Каждая камера генерирует большой объем потока данных, когда она используется отдельно, а когда одновременно используются несколько камер, требования к полосе пропускания увеличиваются. Одна камера с разрешением 1080p, 30 кадров в секунду (кадров в секунду), 24 бита на пиксель обеспечивает скорость передачи 1,4 Гбит/с, поэтому четыре камеры генерируют скорость передачи 5,6 Гбит/с, а шесть камер — 8,4 Гбит/с. Применение более высокого разрешения и частоты кадров может увеличить требования к пропускной способности до десятков гигабит в секунду.