Görsel işlevler, fiziksel dünyayı gerçek zamanlı olarak algılayan ve ona uyum sağlayan robot uygulamaları tasarlamanın merkezinde yer alır. Robotik sistemler dinamik ve çoğu zaman öngörülemeyen ortamlarda çalışır ve sensör verilerinin milisaniyeler içinde toplanması, iletilmesi, işlenmesi ve eyleme dönüştürülmesi gerekir. Gecikmedeki herhangi bir artış, veri kaybı veya zaman tutarsızlığı performansı düşürebilir ve hatta bir güvenlik riski oluşturabilir.
Robotik sistemler, göreve özel programlama yerine büyük miktarda görsel veriye dayanan makine öğrenimi tabanlı algılama yeteneklerine yöneldikçe, bu kısıtlamalar giderek daha zorlu hale geliyor. Bu, robot uygulamalarının minimum düzeyde yeniden programlamayla yeni nesnelere, ortamlara ve görevlere uyum sağlamasına olanak tanır.
Bu eğilimler, robotik sistemlerde görsel verilerin nasıl aktarılacağı konusunda artan bir baskı oluşturmaktadır. Gigabit Multimedya Seri Bağlantı (GMSL) teknolojisi, sensör bağlantısını basitleştirerek, kablolama karmaşıklığını azaltarak ve dağıtılmış kameralar ile merkezi bilgi işlem modülleri arasında düşük gecikme süreli, sağlam veri aktarımı sağlayarak tasarım zorluklarını kolaylaştırır.
GMSL, orijinal olarak Gelişmiş Sürücü Destek Sistemleri (ADAS) gibi otomotiv uygulamaları için tasarlandı ve artık düşük gecikme süresi ve güçlü elektromanyetik girişim bağışıklığına sahip uzak kameraları ve sensörleri bağlamak için robotik ve makine görüş sistemlerinde yaygın olarak kullanılıyor.
Analog Devices tarafından geliştirilen GMSL, yüksek bant genişliğine sahip video ve verileri tek bir koaksiyel kablo veya bükümlü çift kablo aracılığıyla ileten yüksek hızlı seri/de-string (SerDes) iletişim teknolojisidir. Her kamera bir ağ yapısını paylaşmaz, ancak özel bir yüksek hızlı bağlantı üzerinden çalışarak çekişmeyi, yönlendirmeyi ve paket bazlı değişkenliği ortadan kaldırır. Bu, sensör sayısı artsa bile tutarlı süre ve gecikmeye sahip öngörülebilir bir veri yolu oluşturur.
GMSL serileştiricisi, genellikle birden fazla tek sinyal hattı üzerinden paralel olarak iletilen bir dizi piksel verisini sürekli yüksek hızlı seri veri akışına dönüştürür. İşlemci tarafında, destring onu orijinal formata geri dönüştürür. Her kameranın kendi noktadan noktaya bağlantısı olduğundan, bant genişliği kamera sayısıyla doğrusal olarak ilişkilidir; bu da ağ çekişmesine, anahtarlama yüküne veya veri paketi planlama gecikmesine neden olmaz.
Bu yaklaşımın avantajları, görüş sistemi birden fazla yüksek çözünürlüklü kamerayı kapsayacak şekilde genişletildiğinde daha belirgin hale gelir. Tek kameralı uygulamalardan farklı olarak bu sistemler, navigasyon, manipülasyon ve gerçek zamanlı sahneyi anlama gibi görevleri desteklemek için yoğun, senkronize görsel kapsama gerektirir. Sensör sayısı arttıkça bant genişliği, kablolama ve zamanlama doğruluğu gereksinimleri artar, bu da geleneksel kısa menzilli kart düzeyindeki ara bağlantıların sınırlamalarını ortaya çıkarır.
USB, standart Ethernet veya doğrudan kart düzeyinde MIPI bağlantıları gibi geleneksel yaklaşımlar, kaçınılmaz olarak gecikme, senkronizasyon veya fiziksel kapsam açısından ödünleşimler gerektirir. Giderek daha fazla kamera kullanıldıkça kablolama, zamanlama yönetimi ve sistem tasarımının karmaşıklığı da artmaya devam ediyor ve bu da teknoloji entegrasyonunda giderek artan bir zorluk yaratıyor.
GMSL, diğer görsel bağlantı yöntemlerine göre birçok belirgin avantaj sunar:
Ethernet tabanlı bir görsel yığının karmaşıklığını ortadan kaldıran basit, düşük gecikme süreli, noktadan noktaya mimariyi korurken kapsama alanı ve sağlamlık açısından MIPI CSI-2'yi geride bırakır.
GMSL, Ethernet'in büyük ölçekli dağıtılmış ağının esnekliği yerine deterministik noktadan noktaya bağlantı ve daha basit çoklu kamera senkronizasyonunu destekler.
Bu çözümün performansı, başka bir özel SerDes çözümü olan FPD-Link ile kabaca karşılaştırılabilir. Seçim genellikle ekosistemlerin kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesine bağlıdır.
GMSL, yüksek hızlı kamera bağlantısının pratik bir yöntemini belirleyici, düşük gecikmeli performansla sağlayarak yerleşik ve ağ bağlantılı görüntü sistemlerini dengeler. Bu, gerçek zamanlı robotik sistemlerin katı gecikme ve güvenilirlik gereksinimlerini korurken yüksek hızlı görsel bağlantıyı basitleştirir.
Yüksek hız, büyük kapasite
Artan kamera çözünürlüğü ve sensör sayısıyla birlikte bu yapısal avantajlar sistem başarısının anahtarı haline geliyor. GMSL, birden fazla kameradan veya diğer sensörlerden büyük miktarlarda veriyi, özellikle video verilerini tek bir kablo aracılığıyla iletebilir. Bu şema, ağ çekişmesi veya paket yönlendirmesi olmadan özel noktadan noktaya bağlantılar kullanır. Tasarımcılar, nokta başına birden fazla bağlantı kullanmadan düşük gecikme süresini ve yüksek gürültü bağışıklığını korurken, koaksiyel veya çift bükümlü kablolar aracılığıyla yüksek bant genişliğine sahip veri akışlarını iletmek için GMSL'yi kullanabilir.
Bu teknoloji, otomotiv kablolamasını basitleştirir, sağlamlığı artırır ve bu özellikler doğrudan robot biliminde somutlaşır: daha az kablo, elektrik ve mekanik tasarımları basitleştirerek sistemleri daha hafif, daha güvenilir ve montajı daha kolay hale getirir. Dağıtılmış kameralar, minimum kablolamayla bilgi işlem modüllerinden uzağa kurulabilir ve yine de gerçek zamanlı algılamayı ve karar vermeyi desteklemek için senkronize, düşük gecikmeli verileri güvenilir bir şekilde sağlar.
Robotlar, çevrelerini algılamak için bazen derinlik sensörleri veya PLIDAR (ışık algılama ve menzil belirleme) ile birleştirilen çok sayıda yüksek çözünürlüklü kameraya giderek daha fazla güveniyor (Şekil 1). Her kamera tek başına kullanıldığında büyük miktarda veri akışı üretir, birden fazla kamera aynı anda kullanıldığında bant genişliği gereksinimleri artar. Bir adet 1080p çözünürlük, saniyede 30 kare (fps), piksel başına 24 bit kamera 1,4 Gbps iletim hızı üretir; böylece dört kamera 5,6 Gbps iletim hızı ve altı kamera 8,4 Gbps iletim hızı üretir. Daha yüksek çözünürlük ve kare hızının uygulanması, bant genişliği gereksinimini saniyede düzinelerce gigabite kadar artırabilir.