摘要

機(jī)器人系統(tǒng)越來越依賴視覺進(jìn)行感知并與環(huán)境交互，因而對(duì)高速、低延遲數(shù)據(jù)鏈路的需求日益增長。千兆多媒體串行鏈路(GMSLTM)通過單條線纜即可實(shí)現(xiàn)視頻、控制信號(hào)和電力的傳輸，具備高可靠性，是一種極有潛力的解決方案。本文探討了攝像頭在機(jī)器人中的應(yīng)用，分析了攝像頭所面臨的連接挑戰(zhàn)，并闡述了GMSL如何助力實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、穩(wěn)健、高性能的機(jī)器人平臺(tái)。

引言

機(jī)器人系統(tǒng)越來越依賴先進(jìn)的機(jī)器視覺來感知、導(dǎo)航和與環(huán)境交互。隨著攝像頭數(shù)量的增加和分辨率的提升，業(yè)界對(duì)能夠傳輸和聚合處理實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)的高速、低延遲鏈路的需求變得空前強(qiáng)烈。 

最初為汽車應(yīng)用開發(fā)的千兆多媒體串行鏈路(GMSL?)，正成為適合機(jī)器人系統(tǒng)的強(qiáng)大而高效的解決方案。GMSL通過單根線纜同時(shí)傳輸高速視頻數(shù)據(jù)、雙向控制信號(hào)和電力，具備長距離傳輸能力、確定性的微秒級(jí)延遲和極低的誤碼率(BER)等優(yōu)勢(shì)。它簡化了線束，縮小了整體解決方案尺寸，非常適合應(yīng)用于在動(dòng)態(tài)且通常惡劣的環(huán)境中運(yùn)行的視覺主導(dǎo)型機(jī)器人。 

在以下篇幅中，我們將討論攝像頭在機(jī)器人中的部署位置和應(yīng)用場(chǎng)景，以及這些應(yīng)用場(chǎng)景所面臨的對(duì)數(shù)據(jù)和連接的挑戰(zhàn)，并闡述GMSL如何幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師構(gòu)建可擴(kuò)展、可靠、高性能的機(jī)器人平臺(tái)。

攝像頭在機(jī)器人中的應(yīng)用

作為現(xiàn)代機(jī)器人感知系統(tǒng)的核心部件，攝像頭賦予機(jī)器實(shí)時(shí)認(rèn)知和響應(yīng)周圍環(huán)境的能力。無論是穿梭于倉庫通道的搬運(yùn)機(jī)器人、分揀包裹的機(jī)械臂，還是與人類互動(dòng)的服務(wù)型機(jī)器人，視覺系統(tǒng)對(duì)于自主運(yùn)行、自動(dòng)化操作及人機(jī)交互都至關(guān)重要。攝像頭不僅功能多樣，形式也各異。根據(jù)任務(wù)的不同，攝像頭被安裝在機(jī)器人的不同部位，并需定制以適配平臺(tái)的物理和操作約束（見圖1）。

自主化

在自主機(jī)器人中，攝像頭充當(dāng)機(jī)器人的“眼睛”，使機(jī)器人能夠感知周圍環(huán)境、避開障礙物，并確定自身在環(huán)境中的位置。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人，例如送貨機(jī)器人、倉庫穿梭車或農(nóng)業(yè)巡檢車，通常會(huì)在機(jī)器人的邊角或邊緣放置多個(gè)廣角攝像頭。此類環(huán)視系統(tǒng)提供360°感知能力，幫助機(jī)器人在復(fù)雜空間中導(dǎo)航，避免碰撞。 

其他與自主運(yùn)行相關(guān)的應(yīng)用利用朝下或朝上的攝像頭，讀取地面、天花板或墻壁上的基準(zhǔn)標(biāo)記。這些標(biāo)記起到視覺指引的作用，使機(jī)器人在工廠或醫(yī)院等結(jié)構(gòu)化環(huán)境中穿行時(shí)，能夠重新校準(zhǔn)位置或觸發(fā)特定動(dòng)作。在更先進(jìn)的系統(tǒng)中，機(jī)器人的正面或側(cè)面會(huì)放置立體視覺攝像頭或飛行時(shí)間(ToF)攝像頭，用于生成三維地圖、估算距離，并幫助進(jìn)行同步定位與地圖繪制(SLAM)。 

此類攝像頭的位置通常由機(jī)器人的大小、機(jī)動(dòng)能力和所需的視場(chǎng)決定。例如，在小型人行道送貨機(jī)器人上，攝像頭可能會(huì)隱藏在四個(gè)側(cè)面的凹陷面板中。無人機(jī)上通常裝有前向攝像頭用于導(dǎo)航，還有下向攝像頭用于降落或目標(biāo)追蹤。

自動(dòng)化

在工業(yè)自動(dòng)化中，視覺系統(tǒng)幫助機(jī)器人快速且穩(wěn)定地執(zhí)行重復(fù)性或高精度的任務(wù)。在這類應(yīng)用中，攝像頭可能安裝在機(jī)器臂上，靠近夾具或末端執(zhí)行器，使系統(tǒng)得以精準(zhǔn)地對(duì)物體進(jìn)行視覺檢查、定位及操作。這對(duì)于貼片作業(yè)尤其重要，因?yàn)闇?zhǔn)確識(shí)別器件或封裝的位置與方向是確保操作成功的關(guān)鍵。 

有時(shí)候，攝像頭固定在工作區(qū)域上方，例如安裝在龍門架或架空軌道上，用以監(jiān)控傳送帶上的物品或掃描條形碼。在倉庫環(huán)境中，移動(dòng)機(jī)器人使用前向攝像頭檢測(cè)貨架標(biāo)簽、標(biāo)志或二維碼，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)任務(wù)分配或路線變更。

某些檢查機(jī)器人，特別是基礎(chǔ)設(shè)施、公用事業(yè)或重工業(yè)中使用的機(jī)器人，其伸縮桿或關(guān)節(jié)臂上會(huì)安裝變焦攝像頭。通過這些攝像頭，機(jī)器人能夠拍攝焊縫、線纜橋架或管道接頭的高清圖像。這些任務(wù)若由人工手動(dòng)完成，不僅危險(xiǎn)，而且耗時(shí)。

人機(jī)交互

攝像頭在機(jī)器人與人類的交互中也發(fā)揮著核心作用。在協(xié)作制造、醫(yī)療健康或服務(wù)行業(yè)中，機(jī)器人需要理解手勢(shì)、識(shí)別人臉，并保持一定的社交存在感。視覺系統(tǒng)使這一切成為可能。 

人形機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人通常在其頭部或胸部嵌入攝像頭，藉此模擬人類的視線，從而實(shí)現(xiàn)更自然的人機(jī)交互。這些攝像頭幫助機(jī)器人解讀面部表情，保持眼神交流，或跟隨目標(biāo)人物的目光。某些系統(tǒng)使用深度攝像頭或魚眼鏡頭來跟蹤身體運(yùn)動(dòng)，或檢測(cè)是否有人進(jìn)入共享工作空間。 

在協(xié)作機(jī)器人(cobot)場(chǎng)景中，人類和機(jī)器并肩工作，機(jī)器視覺用于確保操作安全和提升響應(yīng)速度。機(jī)器人能夠觀察到靠近的肢體或工具，通過調(diào)整自身行為來避免碰撞，或在有人靠得太近時(shí)暫停作業(yè)。 

即使在遠(yuǎn)程操作或半自主系統(tǒng)中，機(jī)器視覺依然至關(guān)重要。前置攝像頭將實(shí)時(shí)視頻流傳輸給遠(yuǎn)程操作員，從而支持實(shí)時(shí)控制或檢查。這些視頻流可疊加顯示增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息，協(xié)助進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷或培訓(xùn)等任務(wù)。 

在所有這些領(lǐng)域中，攝像頭的安裝位置（例如機(jī)器人的夾持器、云臺(tái)、底座或頭部）都是一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)決策，取決于機(jī)器人的功能、形狀和環(huán)境。隨著機(jī)器人系統(tǒng)不斷增強(qiáng)能力和自主性，視覺的作用將愈發(fā)重要，攝像頭的集成也會(huì)變得更加復(fù)雜且不可或缺。

機(jī)器人視覺挑戰(zhàn)

在視覺系統(tǒng)成為機(jī)器人智能重要支柱的同時(shí)，機(jī)遇與復(fù)雜性也在增長。高性能攝像頭解鎖了實(shí)時(shí)感知、精準(zhǔn)操控和更安全人機(jī)交互等強(qiáng)大的能力，但也對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)提出了更高要求。問題不再只是如何高效傳輸大量視頻數(shù)據(jù)。如今，許多機(jī)器人需要在極短時(shí)間內(nèi)基于多模態(tài)傳感器輸入做出決策。與此同時(shí)，它們必須在緊湊的機(jī)械空間內(nèi)運(yùn)行，合理管理功耗，避免電磁干擾(EMI)，并在靠近人類的環(huán)境中嚴(yán)格確保功能安全。 

機(jī)器人所處的環(huán)境進(jìn)一步加劇了這些挑戰(zhàn)。倉庫機(jī)器人可能頻繁進(jìn)出冷庫，承受劇烈溫度波動(dòng)和冷凝的考驗(yàn)。農(nóng)業(yè)巡檢車可能在未鋪裝的田野間爬行，持續(xù)承受振動(dòng)和機(jī)械沖擊。醫(yī)院或公共場(chǎng)所的服務(wù)機(jī)器人可能會(huì)遇到陌生且視覺復(fù)雜的環(huán)境，必須要能夠迅速適應(yīng)，確保安全地繞過人和障礙物。

利用GMSL解決挑戰(zhàn)

GMSL具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足現(xiàn)代機(jī)器人系統(tǒng)的需求。憑借高帶寬、穩(wěn)健性和靈活的集成能力，GMSL非常適合動(dòng)態(tài)、任務(wù)關(guān)鍵環(huán)境中運(yùn)行的傳感器密集型平臺(tái)。以下特性凸顯了GMSL應(yīng)對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域視覺相關(guān)關(guān)鍵挑戰(zhàn)的能力。

高數(shù)據(jù)速率和低延遲

GMSL2?和GMSL3?產(chǎn)品系列支持3 Gbps、6 Gbps和12 Gbps的前向通道（視頻路徑）數(shù)據(jù)速率，覆蓋了絕大部分機(jī)器人視覺的應(yīng)用場(chǎng)景。靈活的鏈路速率使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠針對(duì)分辨率、幀率、傳感器類型和處理要求進(jìn)行優(yōu)化（圖2）。 

對(duì)于大多數(shù)采用200-300萬像素卷簾快門傳感器并以60幀每秒(FPS)幀率運(yùn)行的環(huán)視攝像頭，3Gbps速率的GMSL鏈路足矣。3Gbps的GMSL鏈路也支持其他常見的檢測(cè)模式，比如ToF傳感器，帶有點(diǎn)云輸出的光檢測(cè)與測(cè)距(LIDAR)單元和傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)或壓縮圖像式回?fù)艿睦走_(dá)傳感器。 

6 Gbps模式通常用于機(jī)器人的前向主攝像頭。這類攝像頭需配備更高分辨率的傳感器（通常為800萬像素或更高），以支持目標(biāo)檢測(cè)、語義理解或標(biāo)志識(shí)別等任務(wù)。6 Gbps數(shù)據(jù)速率既支持提供原始輸出的ToF傳感器，也支持立體視覺系統(tǒng)，后者從兩個(gè)圖像傳感器傳輸原始輸出流，或從集成圖像信號(hào)處理器(ISP)輸出處理后的點(diǎn)云流。目前市場(chǎng)上的許多立體攝像頭依賴于6 Gbps數(shù)據(jù)速率來實(shí)現(xiàn)高幀率性能。 

在高端應(yīng)用場(chǎng)景下，12 Gbps鏈路支持專業(yè)機(jī)器人使用的1200萬像素或更高分辨率的攝像頭，滿足高精度目標(biāo)分類、復(fù)雜場(chǎng)景分割及遠(yuǎn)距離感知等先進(jìn)功能需求。值得注意的是，某些低分辨率的全局快門傳感器也需要更高速度的鏈路，以減少讀出時(shí)間，并避免在快速拍攝周期中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影，這在動(dòng)態(tài)或高速環(huán)境中尤為重要。

GMSL采用頻域雙工技術(shù)來分離前向（視頻和控制）與反向（控制）通道，從而實(shí)現(xiàn)確定性低延遲雙向通信，并且消除數(shù)據(jù)沖突風(fēng)險(xiǎn)。在所有鏈路速率下，GMSL都能保持極低的延遲：從GMSL串行器的輸入到解串器的輸出，累計(jì)的延遲通常在幾十微秒以內(nèi)，這對(duì)于大多數(shù)實(shí)時(shí)機(jī)器人視覺系統(tǒng)來說可以忽略不計(jì)。確定性反向通道延遲使得主機(jī)能夠?qū)z像頭進(jìn)行精準(zhǔn)的硬件觸發(fā)。此特性對(duì)于多個(gè)傳感器同步采集圖像至關(guān)重要，同時(shí)也支持復(fù)雜機(jī)器人工作流程中時(shí)間敏感的事件驅(qū)動(dòng)型幀觸發(fā)機(jī)制。如果用USB或以太網(wǎng)攝像頭要達(dá)到這種時(shí)序精度，通常需要增加單獨(dú)的硬件觸發(fā)線路，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度和布線工作量加大。

小尺寸和低功耗

GMSL的核心價(jià)值之一在于能夠簡化線纜和連接器基座。GMSL本身是一種全雙工鏈路，大多數(shù)GMSL攝像頭會(huì)利用同軸線纜供電(PoC)特性，通過一條細(xì)同軸線纜同時(shí)傳輸視頻數(shù)據(jù)、雙向控制信號(hào)和電力。因此，布線工作大大簡化，線纜線束的整體重量顯著減輕，體積更小，緊湊或關(guān)節(jié)式機(jī)器人平臺(tái)中的機(jī)械走線也更便捷（圖3）。 

此外，GMSL串行器是一種高度集成的器件，它將視頻接口（如MIPI-CSI）和GMSL PHY整合到單一芯片中。GMSL串行器在6 Gbps模式下的功耗通常在260 mW左右，明顯低于其他技術(shù)在類似數(shù)據(jù)速率下的功耗。所有這些特性帶來的益處包括：電路板面積縮小，熱管理要求降低（通?？墒∪嫶蟮纳崞鳎?，系統(tǒng)整體效率提升，對(duì)于電池供電的機(jī)器人而言意義尤為重大。

傳感器聚合和視頻數(shù)據(jù)路由

GMSL解串器有多種配置可選，支持一個(gè)、兩個(gè)或四個(gè)輸入鏈路，便于構(gòu)建靈活的傳感器聚合架構(gòu)。設(shè)計(jì)人員可將多個(gè)攝像頭或傳感器模塊連接到單個(gè)處理器，而無需額外的開關(guān)或外部復(fù)用，這在多攝像頭機(jī)器人系統(tǒng)中特別有用。

 除了多路輸入外，GMSL SERDES還支持一些高級(jí)特性，能夠在整個(gè)系統(tǒng)中智能地管理和路由數(shù)據(jù)。具體包括：

?        I2C和GPIO廣播，用于同步配置多個(gè)傳感器和實(shí)現(xiàn)幀同步。

?        I2C地址別名，避免直通模式下I2C地址沖突。

?        虛擬通道重分配，允許將多個(gè)視頻流純凈地映射到片上系統(tǒng)(SoC)內(nèi)部的幀緩沖區(qū)。

?        視頻流復(fù)制和虛擬通道濾波功能，允許將選定的視頻數(shù)據(jù)傳送到多個(gè)SoC。例如，讓同一攝像頭數(shù)據(jù)流同時(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化和交互處理流程，或支持冗余處理路徑以增強(qiáng)功能安全性。

安全性和可靠性

最初為汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)應(yīng)用開發(fā)的GMSL，在安全性、可靠性和穩(wěn)健性不容妥協(xié)的環(huán)境中經(jīng)過了實(shí)際檢驗(yàn)。機(jī)器人系統(tǒng)，特別是在有人環(huán)境中操作或執(zhí)行關(guān)鍵工業(yè)任務(wù)的系統(tǒng)，采用同樣嚴(yán)苛的高標(biāo)準(zhǔn)也能受益匪淺。

大多數(shù)GMSL串行器和解串器可在-40°C到+105°C的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，并內(nèi)置了自適應(yīng)均衡功能，可持續(xù)監(jiān)測(cè)并根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整收發(fā)器設(shè)置。因此，系統(tǒng)架構(gòu)師可以靈活地設(shè)計(jì)機(jī)器人，使機(jī)器人在極端或波動(dòng)的溫度條件下仍能可靠運(yùn)作。 

此外，大多數(shù)GMSL器件符合ASIL-B標(biāo)準(zhǔn)，誤碼率(BER)極低。在符合要求的鏈路條件下，GMSL2的典型BER為10-15，而GMSL3憑借強(qiáng)制性前向糾錯(cuò)(FEC)技術(shù)，可將BER降低至10-30。如此出色的數(shù)據(jù)完整性，結(jié)合安全認(rèn)證機(jī)制，大大簡化了系統(tǒng)級(jí)別的功能安全集成。 

憑借優(yōu)越的穩(wěn)健性，GMSL能夠減少停機(jī)時(shí)間，降低維護(hù)成本，提升用戶對(duì)長期系統(tǒng)可靠性的信心，對(duì)于工業(yè)和服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域具有重要意義。

成熟生態(tài)

得益于在汽車系統(tǒng)中多年的大量應(yīng)用，GMSL已發(fā)展出一個(gè)高度成熟的生態(tài)，獲得了全球眾多合作伙伴的支持。其中包含一整套解決方案，包括評(píng)估用和生產(chǎn)級(jí)攝像頭、計(jì)算板、線纜、連接器及軟件/驅(qū)動(dòng)支持，所有產(chǎn)品都在嚴(yán)格的實(shí)際使用條件下通過了測(cè)試和驗(yàn)證。對(duì)于機(jī)器人開發(fā)者而言，借助這一成熟生態(tài)，可以縮短開發(fā)周期、簡化系統(tǒng)集成，并降低從原型設(shè)計(jì)到量產(chǎn)的門檻。

GMSL與傳統(tǒng)機(jī)器人視覺連接技術(shù)的比較

近年來，GMSL的應(yīng)用逐漸從汽車行業(yè)擴(kuò)展至其他領(lǐng)域，為高性能機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)帶來了新的可能性。伴隨著機(jī)器人視覺技術(shù)要求的不斷提升，包括更多攝像頭、更高分辨率、更嚴(yán)格的同步精度和更惡劣的工作環(huán)境，USB和以太網(wǎng)等傳統(tǒng)接口在帶寬、延遲和集成復(fù)雜度方面常常顯得力不從心。GMSL提供穩(wěn)健、可擴(kuò)展且可直接投入生產(chǎn)的解決方案，正成為許多先進(jìn)機(jī)器人平臺(tái)的首選升級(jí)路徑，開始逐步取代USB和以太網(wǎng)。表1圍繞機(jī)器人視覺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)這三種技術(shù)進(jìn)行了比較。

結(jié)語

隨著機(jī)器人應(yīng)用逐步深入更嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景也更加多樣化，視覺系統(tǒng)必須持續(xù)演進(jìn)，以支持更多數(shù)量的傳感器、更大的帶寬并確保性能的確定性。傳統(tǒng)連接解決方案雖然在開發(fā)階段和某些部署場(chǎng)景中依然重要，但它們?cè)谘舆t、同步和系統(tǒng)集成方面存在不足，限制了可擴(kuò)展性。GMSL具備高數(shù)據(jù)速率、長距離傳輸能力、集成供電及雙向確定性低延遲等優(yōu)勢(shì)，為構(gòu)建可擴(kuò)展的機(jī)器人視覺系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過采用GMSL，設(shè)計(jì)人員可以有效縮短從原型設(shè)計(jì)到量產(chǎn)的時(shí)間，交付更加智能和可靠的機(jī)器人，從容應(yīng)對(duì)各種實(shí)際應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

作者簡介

Kainan Wang是位于美國馬薩諸塞州威明頓市的ADI公司汽車座艙體驗(yàn)(ACE)部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他從馬薩諸塞州波士頓東北大學(xué)獲得電氣工程碩士學(xué)位后，于2016年加入ADI公司。Kainan一直從事2D/3D成像解決方案相關(guān)工作，涉及硬件開發(fā)、系統(tǒng)集成和應(yīng)用開發(fā)等各方面。最近，他的工作重點(diǎn)是將ADI汽車電子技術(shù)拓展到汽車以外的其他市場(chǎng)。