ฟังก์ชันการมองเห็นเป็นหัวใจสำคัญของการออกแบบแอปพลิเคชันหุ่นยนต์ที่รับรู้และปรับให้เข้ากับโลกทางกายภาพแบบเรียลไทม์ ระบบหุ่นยนต์ทำงานในสภาพแวดล้อมแบบไดนามิกและมักจะคาดเดาไม่ได้ และข้อมูลเซ็นเซอร์จะต้องถูกรวบรวม ส่ง ประมวลผล และแปลไปสู่การดำเนินการในหน่วยมิลลิวินาที ความล่าช้าที่เพิ่มขึ้น การสูญหายของข้อมูล หรือความไม่สอดคล้องกันของเวลาอาจทำให้ประสิทธิภาพลดลงและอาจสร้างความเสี่ยงด้านความปลอดภัยได้
เนื่องจากระบบหุ่นยนต์หันมาใช้ความสามารถในการตรวจจับด้วยการเรียนรู้ของเครื่อง ซึ่งอาศัยข้อมูลภาพจำนวนมาก แทนที่จะอาศัยการเขียนโปรแกรมเฉพาะงาน ข้อจำกัดเหล่านี้จึงมีความต้องการเพิ่มมากขึ้น ซึ่งช่วยให้แอปพลิเคชันหุ่นยนต์สามารถปรับตัวเข้ากับวัตถุ สภาพแวดล้อม และงานใหม่ๆ ได้โดยมีการตั้งโปรแกรมใหม่เพียงเล็กน้อย
แนวโน้มเหล่านี้สร้างแรงกดดันเพิ่มขึ้นต่อวิธีการถ่ายโอนข้อมูลภาพในระบบหุ่นยนต์ เทคโนโลยี Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) ช่วยอำนวยความสะดวกด้านความท้าทายในการออกแบบโดยทำให้การเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ง่ายขึ้น ลดความซับซ้อนในการเดินสาย และช่วยให้ถ่ายโอนข้อมูลที่แข็งแกร่งและมีความหน่วงต่ำระหว่างกล้องแบบกระจายและโมดูลคอมพิวเตอร์ส่วนกลาง
เดิมที GMSL ได้รับการออกแบบมาเพื่อการใช้งานในยานยนต์ เช่น ระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) และปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบหุ่นยนต์และระบบวิชันซิสเต็มเพื่อเชื่อมต่อกล้องและเซ็นเซอร์ระยะไกลที่มีค่าหน่วงเวลาต่ำและภูมิคุ้มกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่แข็งแกร่ง
GMSL ซึ่งพัฒนาโดย Analog Devices เป็นเทคโนโลยีการสื่อสารแบบอนุกรม/ดีสตริง (SerDes) ความเร็วสูงที่ส่งวิดีโอและข้อมูลแบนด์วิธสูงผ่านสายโคแอกเชียลเส้นเดียวหรือสายคู่บิด กล้องแต่ละตัวไม่ได้ใช้โครงสร้างเครือข่ายร่วมกัน แต่ทำงานผ่านลิงก์ความเร็วสูงเฉพาะ ซึ่งขจัดความขัดแย้ง การกำหนดเส้นทาง และความแปรปรวนตามแพ็กเก็ต ซึ่งจะสร้างเส้นทางข้อมูลที่คาดการณ์ได้พร้อมเวลาและความล่าช้าที่สม่ำเสมอ แม้ว่าจำนวนเซ็นเซอร์จะเพิ่มขึ้นก็ตาม
เครื่องซีเรียลไลเซอร์ GMSL จะแปลงชุดข้อมูลพิกเซลที่โดยทั่วไปจะถูกส่งแบบขนานผ่านสายสัญญาณเดี่ยวหลายสายให้เป็นสตรีมข้อมูลอนุกรมความเร็วสูงอย่างต่อเนื่อง ที่ฝั่งโปรเซสเซอร์ destring จะแปลงกลับเป็นรูปแบบดั้งเดิม เนื่องจากกล้องแต่ละตัวมีลิงก์แบบจุดต่อจุดของตัวเอง แบนด์วิดท์จึงสัมพันธ์เชิงเส้นตรงกับจำนวนกล้อง ซึ่งจะไม่ทำให้เกิดการแย่งชิงเครือข่าย การสลับโอเวอร์เฮด หรือความล่าช้าในการกำหนดตารางแพ็คเก็ตข้อมูล
ข้อดีของแนวทางนี้จะเห็นได้ชัดเจนมากขึ้นเมื่อระบบวิชันซิสเต็มถูกขยายไปยังกล้องที่มีความละเอียดสูงหลายตัว ต่างจากแอปพลิเคชันกล้องตัวเดียว ระบบเหล่านี้ต้องการการครอบคลุมภาพที่ซิงโครไนซ์หนาแน่น เพื่อรองรับงานต่างๆ เช่น การนำทาง การจัดการ และการทำความเข้าใจฉากแบบเรียลไทม์ เมื่อจำนวนเซ็นเซอร์เพิ่มขึ้น ข้อกำหนดด้านแบนด์วิธ สายไฟ และความแม่นยำในการกำหนดเวลาก็เพิ่มขึ้น เผยให้เห็นข้อจำกัดของการเชื่อมต่อระดับบอร์ดระยะสั้นแบบดั้งเดิม
วิธีการแบบดั้งเดิม เช่น USB, อีเทอร์เน็ตมาตรฐาน หรือลิงก์ MIPI ระดับไดเร็กบอร์ด ย่อมต้องมีการแลกเปลี่ยนในด้านเวลาแฝง การซิงโครไนซ์ หรือการครอบคลุมทางกายภาพอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เนื่องจากมีการใช้งานกล้องมากขึ้นเรื่อยๆ ความซับซ้อนของการเดินสายเคเบิล การจัดการเวลา และการออกแบบระบบยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งยังนำเสนอความท้าทายที่เพิ่มขึ้นในการบูรณาการเทคโนโลยีอีกด้วย
GMSL มีข้อดีที่ชัดเจนหลายประการเหนือวิธีการเชื่อมต่อภาพอื่นๆ:
เหนือกว่า MIPI CSI-2 ในด้านความครอบคลุมและความทนทาน ในขณะที่ยังคงรักษาสถาปัตยกรรมแบบจุดต่อจุดที่เรียบง่าย เวลาแฝงต่ำ ซึ่งหลีกเลี่ยงความซับซ้อนของวิชวลสแต็กที่ใช้อีเทอร์เน็ต
GMSL สนับสนุนการเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุดที่กำหนดและการซิงโครไนซ์กล้องหลายตัวที่ง่ายกว่า เหนือความยืดหยุ่นของเครือข่ายแบบกระจายขนาดใหญ่ของอีเทอร์เน็ต
ประสิทธิภาพของโซลูชันนี้เทียบได้คร่าวๆ กับ FPD-Link ซึ่งเป็นโซลูชัน SerDes เฉพาะอีกโซลูชันหนึ่ง ทางเลือกมักขึ้นอยู่กับการพิจารณาระบบนิเวศอย่างครอบคลุม
GMSL สร้างสมดุลให้กับระบบการมองเห็นแบบฝังตัวและแบบเครือข่ายโดยมอบวิธีการเชื่อมต่อกล้องความเร็วสูงที่ใช้งานได้จริงพร้อมประสิทธิภาพที่กำหนดได้และมีความหน่วงต่ำ สิ่งนี้ช่วยลดความยุ่งยากในการเชื่อมต่อด้วยภาพความเร็วสูงในขณะที่ยังคงรักษาเวลาแฝงที่เข้มงวดและข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือของระบบหุ่นยนต์แบบเรียลไทม์
ความเร็วสูง ความจุขนาดใหญ่
ด้วยความละเอียดของกล้องที่เพิ่มขึ้นและจำนวนเซ็นเซอร์ ข้อดีของโครงสร้างเหล่านี้จึงกลายเป็นกุญแจสู่ความสำเร็จของระบบ GMSL สามารถส่งข้อมูลจำนวนมาก โดยเฉพาะข้อมูลวิดีโอ จากกล้องหลายตัวหรือเซ็นเซอร์อื่นๆ ผ่านสายเคเบิลเส้นเดียว โครงการนี้ใช้ลิงก์แบบจุดต่อจุดเฉพาะโดยไม่มีการแย่งชิงเครือข่ายหรือการกำหนดเส้นทางแพ็กเก็ต นักออกแบบสามารถใช้ GMSL เพื่อส่งข้อมูลสตรีมข้อมูลแบนด์วิธสูงผ่านสายโคแอกเชียลหรือสายคู่ตีเกลียว ในขณะที่ยังคงรักษาความหน่วงต่ำและภูมิคุ้มกันสัญญาณรบกวนสูงโดยไม่ต้องใช้การเชื่อมต่อหลายจุดต่อจุด
เทคโนโลยีนี้ช่วยลดความยุ่งยากในการเดินสายไฟในรถยนต์ ปรับปรุงความทนทาน และคุณลักษณะเหล่านี้รวมอยู่ในวิทยาการหุ่นยนต์โดยตรง: สายเคเบิลน้อยลงทำให้การออกแบบทางไฟฟ้าและเครื่องกลง่ายขึ้น ทำให้ระบบมีน้ำหนักเบา เชื่อถือได้มากขึ้น และง่ายต่อการประกอบ กล้องแบบกระจายสามารถติดตั้งห่างจากโมดูลคอมพิวเตอร์ โดยใช้สายเคเบิลน้อยที่สุด และยังคงให้ข้อมูลที่มีการซิงโครไนซ์และมีความหน่วงต่ำ เพื่อรองรับการตรวจจับและการตัดสินใจแบบเรียลไทม์
หุ่นยนต์พึ่งพากล้องความละเอียดสูงหลายตัวมากขึ้นเรื่อยๆ บางครั้งใช้ร่วมกับเซ็นเซอร์ความลึกหรือPLIDAR (การตรวจจับแสงและการกำหนดระยะ) เพื่อตรวจจับสภาพแวดล้อมของพวกมัน (รูปที่ 1) กล้องแต่ละตัวจะสร้างกระแสข้อมูลจำนวนมากเมื่อใช้งานเพียงลำพัง และเมื่อใช้กล้องหลายตัวพร้อมกัน ความต้องการแบนด์วิธก็จะเพิ่มขึ้น กล้องความละเอียด 1080p หนึ่งตัว, 30 เฟรมต่อวินาที (fps), 24 บิตต่อพิกเซลสร้างอัตราการส่งข้อมูล 1.4 Gbps ดังนั้นกล้องสี่ตัวจึงสร้างอัตราการส่งข้อมูล 5.6 Gbps และกล้องหกตัวสร้างอัตราการส่งข้อมูล 8.4 Gbps การใช้ความละเอียดและอัตราเฟรมที่สูงขึ้นสามารถเพิ่มความต้องการแบนด์วิธเป็นหลายสิบกิกะบิตต่อวินาที