Las funciones visuales son fundamentales para diseñar aplicaciones robóticas que detectan y se adaptan al mundo físico en tiempo real. Los sistemas robóticos operan en entornos dinámicos y a menudo impredecibles, y los datos de los sensores deben recopilarse, transmitirse, procesarse y traducirse en acciones en milisegundos. Cualquier aumento en la demora, pérdida de datos o inconsistencia en el tiempo puede degradar el rendimiento e incluso crear un riesgo de seguridad.
A medida que los sistemas robóticos recurren a capacidades de detección basadas en el aprendizaje automático, que dependen de grandes cantidades de datos visuales en lugar de programación de tareas específicas, estas limitaciones se vuelven cada vez más exigentes. Esto permite que las aplicaciones de robots se adapten a nuevos objetos, entornos y tareas con una reprogramación mínima.
Estas tendencias ejercen una presión cada vez mayor sobre cómo transferir datos visuales en sistemas robóticos. La tecnología Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) facilita los desafíos de diseño al simplificar la conectividad del sensor, reducir la complejidad del cableado y permitir una transferencia de datos robusta y de baja latencia entre cámaras distribuidas y módulos informáticos centrales.
GMSL se diseñó originalmente para aplicaciones automotrices como los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y ahora se usa ampliamente en robótica y sistemas de visión artificial para conectar cámaras y sensores remotos con baja latencia y una sólida inmunidad a las interferencias electromagnéticas.
GMSL, desarrollada por Analog Devices, es una tecnología de comunicación serial/de-string (SerDes) de alta velocidad que transmite video y datos de gran ancho de banda a través de un solo cable coaxial o par trenzado. Cada cámara no comparte una estructura de red, sino que opera a través de un enlace dedicado de alta velocidad, lo que elimina la contención, el enrutamiento y la variabilidad basada en paquetes. Esto crea una ruta de datos predecible con tiempo y retraso constantes incluso si aumenta la cantidad de sensores.
El serializador GMSL convierte un conjunto de datos de píxeles que normalmente se transmiten en paralelo a través de múltiples líneas de señal única en un flujo de datos en serie continuo de alta velocidad. En el lado del procesador, destring lo convierte nuevamente al formato original. Dado que cada cámara tiene su propio enlace punto a punto, el ancho de banda está relacionado linealmente con la cantidad de cámaras, lo que no causará contención de red, sobrecarga de conmutación o retraso en la programación de paquetes de datos.
Las ventajas de este enfoque se vuelven más evidentes cuando el sistema de visión se extiende a múltiples cámaras de alta resolución. A diferencia de las aplicaciones de una sola cámara, estos sistemas requieren una cobertura visual densa y sincronizada para respaldar tareas como la navegación, la manipulación y la comprensión de la escena en tiempo real. A medida que aumenta la cantidad de sensores, aumentan los requisitos de ancho de banda, cableado y precisión de sincronización, lo que expone las limitaciones de las interconexiones tradicionales a nivel de placa de corto alcance.
Los enfoques tradicionales como USB, Ethernet estándar o enlaces MIPI directos a nivel de placa requieren inevitablemente compensaciones en latencia, sincronización o cobertura física. A medida que se utilizan más y más cámaras, la complejidad del cableado, la gestión de la sincronización y el diseño del sistema continúa aumentando, lo que también presenta un desafío cada vez mayor para la integración de la tecnología.
GMSL ofrece varias ventajas obvias sobre otros métodos de conexión visual:
Supera a MIPI CSI-2 en cobertura y robustez al tiempo que mantiene una arquitectura punto a punto simple y de baja latencia que evita la complejidad de una pila visual basada en Ethernet.
GMSL favorece la conectividad determinista punto a punto y una sincronización multicámara más sencilla sobre la flexibilidad de la red distribuida a gran escala de Ethernet.
El rendimiento de esta solución es aproximadamente comparable al de FPD-Link, otra solución SerDes dedicada. La elección depende a menudo de una consideración integral de los ecosistemas.
GMSL equilibra los sistemas de visión integrados y en red al proporcionar un método práctico de conectividad de cámaras de alta velocidad con un rendimiento determinista de baja latencia. Esto simplifica la conectividad visual de alta velocidad y al mismo tiempo mantiene los estrictos requisitos de latencia y confiabilidad de los sistemas robóticos en tiempo real.
Alta velocidad, gran capacidad
Con el aumento de la resolución de la cámara y el número de sensores, estas ventajas estructurales se convierten en la clave del éxito del sistema. GMSL puede transmitir grandes cantidades de datos, especialmente datos de vídeo, desde múltiples cámaras u otros sensores a través de un solo cable. Este esquema utiliza enlaces dedicados punto a punto sin contención de red ni enrutamiento de paquetes. Los diseñadores pueden utilizar GMSL para transmitir flujos de datos de gran ancho de banda a través de cables coaxiales o de par trenzado mientras mantienen una baja latencia y una alta inmunidad al ruido sin utilizar múltiples conexiones por punto.
Esta tecnología simplifica el cableado automotriz, mejora la robustez y estos atributos están incorporados directamente en la robótica: menos cables simplifican los diseños eléctricos y mecánicos, lo que hace que los sistemas sean más livianos, más confiables y más fáciles de ensamblar. Las cámaras distribuidas se pueden instalar lejos de los módulos informáticos, con un cableado mínimo y aún así proporcionar datos sincronizados y de baja latencia de manera confiable para respaldar la detección y la toma de decisiones en tiempo real.
Los robots dependen cada vez más de múltiples cámaras de alta resolución, a veces combinadas con sensores de profundidad o PLIDAR (detección y alcance de luz) para detectar su entorno (Figura 1). Cada cámara genera una gran cantidad de flujo de datos cuando se usa sola y cuando se usan varias cámaras al mismo tiempo, los requisitos de ancho de banda aumentan. Una cámara con resolución de 1080p, 30 fotogramas por segundo (fps) y 24 bits por píxel genera una velocidad de transmisión de 1,4 Gbps, por lo que cuatro cámaras generan una velocidad de transmisión de 5,6 Gbps y seis cámaras generan una velocidad de transmisión de 8,4 Gbps. La aplicación de una resolución y velocidad de fotogramas más altas puede aumentar el requisito de ancho de banda a decenas de gigabits por segundo.