توابع بصری برای طراحی برنامه های کاربردی رباتی که دنیای فیزیکی را در زمان واقعی حس می کنند و با آن سازگار می شوند، مرکزی هستند. سیستمهای رباتیک در محیطهای پویا و اغلب غیرقابل پیشبینی عمل میکنند و دادههای حسگر باید در چند میلی ثانیه جمعآوری، انتقال، پردازش و تبدیل به عمل شوند. هر گونه افزایش تاخیر، از دست دادن داده ها، یا ناهماهنگی در زمان می تواند عملکرد را کاهش دهد و حتی یک خطر امنیتی ایجاد کند.
از آنجایی که سیستمهای رباتیک به قابلیتهای حسگری مبتنی بر یادگیری ماشینی روی میآورند، که به جای برنامهنویسی خاص، بر مقادیر زیادی از دادههای بصری تکیه میکنند، این محدودیتها به طور فزایندهای نیاز دارند. این به برنامه های ربات اجازه می دهد تا با اشیاء، محیط ها و وظایف جدید با حداقل برنامه ریزی مجدد سازگار شوند.
این روندها فشار فزاینده ای را بر نحوه انتقال داده های بصری در سیستم های رباتیک وارد می کند. فناوری Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) چالشهای طراحی را با سادهسازی اتصال حسگر، کاهش پیچیدگی سیمکشی و امکان انتقال داده با تأخیر کم و قوی بین دوربینهای توزیعشده و ماژولهای محاسباتی مرکزی تسهیل میکند.
GMSL در ابتدا برای کاربردهای خودرویی مانند سیستمهای کمک راننده پیشرفته (ADAS) طراحی شد و اکنون به طور گسترده در رباتیک و سیستمهای بینایی ماشین برای اتصال دوربینها و سنسورهای از راه دور با تأخیر کم و ایمنی تداخل الکترومغناطیسی قوی استفاده میشود.
GMSL که توسط Analog Devices توسعه یافته است، یک فناوری ارتباطی پرسرعت سریال/رشتهزدایی (SerDes) است که ویدئو و دادهها را با پهنای باند بالا از طریق یک کابل کواکسیال یا جفت پیچ خورده منتقل میکند. هر دوربین ساختار شبکه ای را به اشتراک نمی گذارد، اما روی یک لینک اختصاصی با سرعت بالا کار می کند و اختلاف، مسیریابی و تغییرپذیری مبتنی بر بسته را حذف می کند. این یک مسیر داده قابل پیش بینی با زمان و تاخیر ثابت ایجاد می کند حتی اگر تعداد سنسورها افزایش یابد.
سریالساز GMSL مجموعهای از دادههای پیکسلی را که معمولاً به صورت موازی از طریق چندین خط سیگنال منفرد منتقل میشوند، به یک جریان داده سریالی با سرعت بالا تبدیل میکند. در سمت پردازنده، destring آن را به فرمت اصلی تبدیل می کند. از آنجایی که هر دوربین پیوند نقطه به نقطه خاص خود را دارد، پهنای باند به صورت خطی با تعداد دوربینها مرتبط است، که باعث ایجاد اختلاف در شبکه، تعویض سربار یا تاخیر زمانبندی بسته داده نمیشود.
مزایای این رویکرد زمانی آشکارتر می شود که سیستم بینایی به چندین دوربین با وضوح بالا گسترش یابد. برخلاف برنامه های کاربردی تک دوربینی، این سیستم ها به پوشش بصری متراکم و هماهنگ برای پشتیبانی از کارهایی مانند ناوبری، دستکاری و درک صحنه در زمان واقعی نیاز دارند. با افزایش تعداد سنسورها، پهنای باند، سیمکشی و دقت زمانبندی مورد نیاز افزایش مییابد که محدودیتهای سنتی اتصالات سطح برد کوتاه برد را آشکار میکند.
رویکردهای سنتی مانند USB، اترنت استاندارد، یا پیوندهای MIPI در سطح برد مستقیم، ناگزیر به معاوضه هایی در تأخیر، همگام سازی یا پوشش فیزیکی نیاز دارند. با استفاده بیشتر و بیشتر از دوربینها، پیچیدگی کابلکشی، مدیریت زمانبندی و طراحی سیستم همچنان افزایش مییابد، که همچنین چالشی فزاینده برای یکپارچهسازی فناوری ایجاد میکند.
GMSL چندین مزیت آشکار نسبت به سایر روش های اتصال بصری ارائه می دهد:
از نظر پوشش و استحکام از MIPI CSI-2 پیشی می گیرد و در عین حال معماری نقطه به نقطه ساده و کم تأخیر را حفظ می کند که از پیچیدگی یک پشته بصری مبتنی بر اترنت جلوگیری می کند.
GMSL از اتصال نقطه به نقطه قطعی و همگام سازی چند دوربین ساده تر نسبت به انعطاف پذیری شبکه توزیع شده در مقیاس بزرگ اترنت حمایت می کند.
عملکرد این راه حل تقریباً با FPD-Link، یکی دیگر از راه حل های اختصاصی SerDes قابل مقایسه است. انتخاب اغلب به بررسی جامع اکوسیستم بستگی دارد.
GMSL سیستمهای بینایی تعبیهشده و شبکهشده را با ارائه روشی عملی برای اتصال دوربین با سرعت بالا با عملکرد قطعی و با تأخیر کم متعادل میکند. این امر اتصال بصری پرسرعت را ساده میکند و در عین حال تأخیر دقیق و الزامات قابلیت اطمینان سیستمهای روباتیک بلادرنگ را حفظ میکند.
سرعت بالا، ظرفیت زیاد
با افزایش وضوح دوربین و تعداد سنسورها، این مزیت های ساختاری کلید موفقیت سیستم می شوند. GMSL می تواند مقادیر زیادی داده، به ویژه داده های ویدئویی را از چندین دوربین یا سنسورهای دیگر از طریق یک کابل انتقال دهد. این طرح از پیوندهای نقطه به نقطه اختصاصی بدون اختلاف شبکه یا مسیریابی بسته استفاده می کند. طراحان میتوانند از GMSL برای انتقال جریانهای داده با پهنای باند بالا از طریق کابلهای کواکسیال یا جفت تابیده استفاده کنند و در عین حال تأخیر کم و ایمنی نویز بالا را بدون استفاده از چندین اتصال در هر نقطه حفظ کنند.
این فناوری سیمکشی خودرو را سادهتر میکند، استحکام را بهبود میبخشد، و این ویژگیها مستقیماً در رباتیک تجسم مییابند: کابلهای کمتر طرحهای الکتریکی و مکانیکی را سادهتر میکنند، سیستمها را سبکتر، قابل اطمینانتر و آسانتر میسازند. دوربینهای توزیعشده را میتوان دور از ماژولهای محاسباتی، با حداقل کابلکشی نصب کرد، و همچنان دادههای همگامسازی شده و با تأخیر کم را برای پشتیبانی از سنجش و تصمیمگیری در زمان واقعی ارائه میکند.
روباتها به طور فزایندهای به چندین دوربین با وضوح بالا متکی هستند که گاهی اوقات با حسگرهای عمق یا PLIDAR (تشخیص نور و محدوده) ترکیب میشوند تا محیط اطراف خود را حس کنند (شکل 1). هر دوربین زمانی که به تنهایی مورد استفاده قرار می گیرد مقدار زیادی جریان داده تولید می کند و زمانی که چندین دوربین به طور همزمان استفاده می شود، پهنای باند مورد نیاز افزایش می یابد. یک رزولوشن 1080p، 30 فریم در ثانیه (فریم بر ثانیه)، دوربین 24 بیتی در هر پیکسل نرخ انتقال 1.4 گیگابیت بر ثانیه را ایجاد می کند، بنابراین چهار دوربین نرخ انتقال 5.6 گیگابیت در ثانیه و شش دوربین نرخ انتقال 8.4 گیگابیت در ثانیه را تولید می کنند. استفاده از وضوح و نرخ فریم بالاتر می تواند پهنای باند مورد نیاز را به ده ها گیگابیت در ثانیه افزایش دهد.