GMSL Cameras

GMSL-Kameras sind Industrie-Kameras, die das Kommunikationsprotokoll „Gigabit Multimedia Serial Link“ unterstützen. Schon am Beginn der Entwicklung autonomer Fahrzeuge stand man vor der Aufgabe, sehr große Bilddatenmengen in sehr kurzer Zeit zu den Grafik-Prozessoren transportieren zu müssen.

Technische Spezifikationen

Bei der GMSL-Entwicklung entschied man sich für die serielle Datenübertragung, da sie in der überwiegenden Anzahl der Anwendungen schneller ist als eine parallele Übertragung von Bits und Bytes. Die Übertragungsraten nach GMSL-Protokollen wuchsen im Laufe der 2010er-Jahre von 1,5 Gbit/s über 6 Gbit/s (GMSL2) auf bis zu 12 Gbit/s (GMSL3, verfügbar seit 2021). Jede neue Generation verbraucht im Vergleich zur Vorgängerin weniger Strom und wurde um neue Funktionalitäten erweitert.

Die maximale GMSL-Übertragungslänge von etwa 15 Metern erscheint zwar kurz im Vergleich zur GigE-Technik (bis zu 100m), aber für Fahrzeuge reicht die Länge aus. Im Vergleich zu den GigE- und USB-Spezifikationen sind bei der GMSL-Technologie die Latenzzeiten nicht nur signifikant kürzer, sie gehen sogar fast gegen Null gehen. Zudem sind sie deterministisch, d.h. nicht zufällig, sondern „verlässlich“. Das verringert die Fehlerquoten bei der Datenübertragung.

Die technischen Spezifikationen der GMSL-Kamera selbst sind ebenfalls angepasst an die Anforderungen von Fahrerassistenzsystemen (engl. Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) und autonomen Fahrzeugen. Die Bildauflösungen im einstelligen Megapixelbereich erzeugen keine unnötig hohen Datenmengen und Bildraten um 30 FPS reichen aus, um gefährliche Verkehrssituationen früh genug erkennen zu können. Bei 30 FPS liegen zwischen zwei Aufnahmen 1/30 Sekunden. In dieser Zeit bewegt sich ein 100 km/h schnelles Fahrzeug um etwas weniger als 1 m vorwärts.

Verschiedene Techniken verhelfen GMSL-Kameras zur Bezeichnung „High Dynamic Range“ (HDR)-Kameras. Typischerweise liegen die HDR-Werte bei 120 dB, so dass GMSL-Kameras bei unterschiedlichsten Lichtverhältnissen stets kontrastreiche Bilder liefern – bei gleißendem Sonnenlicht genauso wie in dunklen Nächten: eine für autonome bzw. den Fahrer assistierende Fahrzeuge essenzielle Kamera-Eigenschaft!

Optische Eigenschaften

Wird ein Objekt zu nah an eine Kamera herangeführt, wird es nur noch unscharf erfasst. Darum ist der Mindestabstand zwischen dem Sensor und der ‚Region Of Interest‘, also die minimale Objektdistanz, ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl der passenden Kamera. Die Objektdistanz hängt von der Größe des Bildsensor ab sowie von der Kamerageometrie und von den Linseneigenschaften.

Hier hinein spielt auch der HFOV-Wert (Horizontal Field Of View). Er beschreibt die horizontalen Abmessungen des Sichtfeldes in der Objektebene und wird in Winkelgraden angegeben. Mit größer werdendem HFOV-Winkel verringert sich prinzipiell die minimale Objektdistanz. HFOV-Werte zwischen 30° und 200° korrespondieren mit minimalen Objektdistanzen von 28 m bis 0,5 m. Die Frage ist einfach, wie nah müssen Objekte an die Kamera herankommen können, um noch scharf abgebildet zu werden.

FAKRA-Steckersysteme

Für eine möglichst störungsfreie Kommunikation setzte man von Anfang an auf abschirmende Koaxialkabel, wie sie aus der Antennentechnik bekannt sind. Als Steckverbindungen setzten sich in den Fahrzeugbaubranchen die FAKRA-Stecker durch, die vom FAchKReis Automobil des Herstellers Rosenberger im bayrischen Fridolfing entwickelt worden waren. FAKRA-Stecker werden verriegelt, sie sind wasserdicht und es gibt sie in 13 farblich codierten Varianten, die versehentliche Verwechslungen so gut wie ausschließen.

Anwendungsgebiete

GMSL-Kameras sind integriert in

• Fahrerlosen Transportfahrzeugen und autonomen mobilen Robotern (AMR) für Materialumschlag und Logistik mit den Aufgaben Navigation, Hinderniserkennung und Kartierung in industriellen Umgebungen,
• Autonomen Fahrzeugen und Fahrerassistenzsystemen (ADAS: Advanced Driver Assistance System),
• der Qualitätsinspektion zur Identifizierung von Fehlern oder Unregelmäßigkeiten im Produktionsprozess,
• Sicherheits- und Überwachungsaufgaben zur hochauflösenden Video-Echtzeitüberwachung von Industrieanlagen und zur Erkennung von Einbruchsversuchen.