Kompakte Intelligenz für raue Außenrobotik – Entwickelt für kontinuierlichen, unterbrechungsfreien Betrieb

Autonome Vierbeinerroboter für Patrouillen- und Inspektionsaufgaben im Freien müssen fortschrittliche Wahrnehmung, intelligente Entscheidungsfindung und präzise Bewegungssteuerung kompromisslos vereinen. Diese Systeme müssen die Daten verschiedener Sensoren, wie RGB-D-Kameras, LiDAR und IMUs, verarbeiten und gleichzeitig latenzarme, echtzeitfähige Mehrgelenksbewegungen der Beine auf unebenem und unvorhersehbarem Terrain koordinieren.

Um dies zu ermöglichen, müssen die Entwickler klar definierte, aber eng aufeinander abgestimmte Systemschichten schaffen: eine Wahrnehmungsschicht, die KI-Vision und Sensorfusion übernimmt, eine deterministische Steuerungsschicht, die Bewegungs- und Feld-I/O verwaltet, und eine robuste Hardware-Grundlage, die Staub, Vibrationen und großen Temperaturschwankungen standhält – und das alles im Dauerbetrieb rund um die Uhr.

Für einen Robotik-Integrator, der autonome vierbeinige Patrouillenroboter für Gefahrenbereiche wie Energie-, Chemie- und Schwerindustrieanlagen entwickelt, wurden diese Herausforderungen durch ambitionierte Zeitpläne und strenge Zuverlässigkeitsanforderungen noch verstärkt. Das Team benötigte eine Rechnerarchitektur, die die Systemintegration beschleunigen, unter realen Feldbedingungen stabil bleiben und die Rechenleistung mit steigender Arbeitslast skalieren konnte – ohne kostspielige Neuentwicklungen auszulösen.

Durch die Partnerschaft mit ADLINK und die Einführung einer speziell entwickelten Dual-Compute-Architektur – die die DLAP-211-Orin für die KI-Wahrnehmung mit der SBC35-RPL und der SBC-FM Für deterministische Steuerung und modulare Ein-/Ausgabe schuf der Entwickler eine kompakte, robuste Rechengrundlage, die die Systemkomplexität reduzierte, die Entwicklungszyklen verkürzte und einen zuverlässigen Einsatz im Freien ermöglichte.

Die Herausforderungen: Zuverlässigkeit, Integrationsgeschwindigkeit und deterministische Steuerung

Im Zuge der Entwicklung hin zu serienreifen vierbeinigen Robotern traten mehrere missionskritische Herausforderungen auf:

24/7-Betrieb in rauen Umgebungen

Der Roboter musste im Freien kontinuierlich arbeiten und dabei Staub, Vibrationen und einen breiten Temperaturbereich ohne Leistungsdrosselung, Instabilität oder ungeplante Ausfallzeiten tolerieren.

Ausgewogenheit zwischen KI-Leistung und Echtzeitsteuerung

Hochleistungsfähige KI-Inferenz für Bildverarbeitungsaufgaben darf die deterministische Bewegungssteuerung nicht beeinträchtigen. Ein monolithischer Rechenansatz barg das Risiko von Ressourcenkonflikten, was zu Latenz, Jitter und Instabilität während der Bewegungsausführung führen konnte.

Erhebliche Platz- und Verkabelungsbeschränkungen

Die engen Hohlräume im Rumpf und den Beinen des Roboters erforderten kompakte Rechenknoten, robuste Steckverbinder und hochintegrierte Ein-/Ausgänge, um die Verkabelung, die Montage und die langfristige Wartung zu vereinfachen.

Schnelle Integration heterogener Peripheriegeräte

Das System erforderte die nahtlose Integration von RGB-D-Kameras, LiDAR, IMU, flexiblen Bewegungssteuerungsschnittstellen (EtherCAT oder CAN), SBus-Fernsteuerung und Serviceschnittstellen – ohne auf empfindliche Adapter oder Protokollkonverter angewiesen zu sein.

Ein Versäumnis, diese Herausforderungen anzugehen, hätte zu verpassten Einsatzzeiträumen, erhöhten Betriebskosten aufgrund manueller Inspektionen und einem Verlust des Wettbewerbsvorteils auf dem schnelllebigen Markt für Robotik geführt.

ADLINK: Ein Co-Engineering-Partner für zuverlässige, skalierbare Robotik

Konzipiert für den permanenten Außeneinsatz – Industrielle Zuverlässigkeit, auf die Sie sich verlassen können.

Die Embedded-Computing-Plattformen von ADLINK sind von Grund auf für den Dauerbetrieb unter anspruchsvollen Bedingungen konzipiert. Dank breiter Temperaturunterstützung, robuster Steckverbinder und Komponenten in Industriequalität bietet die gewählte Lösung die erforderliche Stabilität für langfristige Patrouilleneinsätze im Freien.

Diese Zuverlässigkeit gewährleistet einen vorhersehbaren Betrieb, reduziert den Wartungsaufwand und mehr Vertrauen beim Einsatz von Robotern in fernen, missionskritischen Inspektionsszenarien.

Dual-Compute-Architektur für verteilte, korrekt getaktete Workloads

Anstatt alle Arbeitslasten auf einem einzigen System zu konzentrieren, ermöglichte ADLINK eine verteilte, aufgabenorientierte Architektur mit einer klaren Trennung der Verantwortlichkeiten:

• DLAP-211-Orin (NVIDIA^® Jetson Orin™ NX) Handhabung von KI-Wahrnehmung und Bildinferenz, Unterstützung von:
  • RGB-D-Kameras über USB 3.0
  • LiDAR über Gigabit-Ethernet
• SBC35-RPL (Intel^® Core™) + SBC-FM (AFM Modular I/O) Verwaltung deterministischer Bewegungssteuerung und Feld-I/O, einschließlich, aber nicht beschränkt auf:
  • EtherCAT oder CAN für flexible Bewegungssteuerung, IMU über USB2-TTLS-Bus für Fernsteuerung
  • Dual-Gigabit-Ethernet, PCIe-, USB- und DI/DO-Anschlüsse

Beide Systeme tauschen Wahrnehmungsergebnisse und Befehle über Gigabit-Ethernet aus, wodurch eine klare Trennung der Arbeitslasten, ein vorhersehbares Echtzeitverhalten und eine vereinfachte Systemvalidierung gewährleistet werden.

Diese Architektur ermöglicht es jedem Prozessor, mit maximaler Effizienz und ohne Störungen zu arbeiten und vereinfacht gleichzeitig Fehlersuche, Validierung und zukünftige Erweiterungen. Sie bietet zudem architektonische Flexibilität, beispielsweise die unabhängige Skalierung von KI-Knoten, das Hinzufügen redundanter Rechenleistung für Fehlertoleranz oder die Integration zusätzlicher Edge-Knoten für die Sensorvorverarbeitung – alles ohne die Steuerungsinfrastruktur zu beeinträchtigen.

Modulare Ein-/Ausgänge, die den Verkabelungsaufwand reduzieren und die Inbetriebnahme beschleunigen

ADLINKs SBC-FM Das adaptive Funktionsmodul spielt eine zentrale Rolle bei der Systemintegration. Durch die Konsolidierung verschiedener Ein-/Ausgänge in einem kompakten, kundenspezifischen Modul eliminiert die Lösung unzuverlässige USB-Konverter und reduziert die interne Verdrahtungskomplexität im Roboter erheblich.

Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Sauberere Pinbelegungen, die auf das mechanische Layout des Roboters zugeschnitten sind
• Schnellere Systeminbetriebnahme und -validierung
• Verbesserte Langzeitzuverlässigkeit durch direkte Schnittstellen in Industriequalität

Diese modulare I/O-Strategie verkürzte den Entwicklungszyklus des Kunden um etwa 30% und ermöglichte so einen schnelleren Übergang vom Prototyp zur Serienfertigung.

Ingenieurskompetenz, die Zeitpläne einhält

Der Mehrwert von ADLINK ging weit über die Hardwarelieferung hinaus. Das Entwicklungsteam arbeitete während der gesamten Entwicklungsphase eng mit dem Kunden zusammen und bot Folgendes:

• Überprüfung des Schaltplanentwurfs
• BIOS-Anpassung
• Prüfung in der Wärmekammer
• Technischer Support vor Ort während der Integration

Dieser kollaborative Ansatz beseitigte gängige Integrationsengpässe, reduzierte Risiken und stellte sicher, dass die Plattform nicht nur im Labor, sondern auch in der Praxis den Anforderungen des realen Betriebs gerecht wurde.

Hochleistungsrechnen bei begrenztem Platz und Energiebedarf

Bei vierbeinigen Robotern zählt jeder Kubikzentimeter und jedes Watt. ADLINKs kompakter SBC35-RPL bietet leistungsstarkes Edge-Computing im 3,5-Zoll-Formfaktor bei gleichzeitig niedrigem Stromverbrauch und lüfterlosen Betriebsoptionen.

In der Zwischenzeit DLAP-211-Orin Bietet skalierbare KI-Leistung für Wahrnehmungsaufgaben. Mit der Weiterentwicklung von KI-Modellen oder steigenden Anforderungen an die Bildverarbeitung können Entwickler die DLAP-SKU aktualisieren, ohne die Steuerungs- oder E/A-Architektur zu verändern – so bleiben Softwareinvestitionen erhalten, die System-Roadmap wird geschützt und die Produktlebensdauer verlängert.

Ein Leitfaden für Innovatoren im Bereich Outdoor-Robotik

Dieses Projekt demonstriert, wie Robotikentwickler ambitionierte Markteinführungsziele erreichen und gleichzeitig robuste, skalierbare Systeme liefern können, die für den Einsatz in der Praxis geeignet sind.

Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Dual-Compute-Architektur für KI und deterministische Steuerung
• Saubere, modulare I/O-Konsolidierung mit SBC-FM
• 24/7-Industriezuverlässigkeit für Außenumgebungen
• Schnellere Entwicklung durch praxisnahe Unterstützung bei der gemeinsamen Entwicklung
• Skalierbare KI-Leistung ohne Systemneugestaltung

Vom Prototyp zur Patrouille – mit einem Partner, der für Robotik geschaffen ist

Ob es um den Bau von vierbeinigen Patrouillenrobotern, autonomen Inspektionsplattformen oder Outdoor-Robotiksystemen der nächsten Generation geht – die Embedded-Computing-Lösungen von ADLINK bieten die Leistung, Zuverlässigkeit und Flexibilität, die erforderlich sind, um mit Zuversicht vom Konzept zum kontinuierlichen Betrieb überzugehen.

Dank der Dual-Compute-Architektur, der modularen Ein-/Ausgabe und der engen Zusammenarbeit der Ingenieure von ADLINK können sich Robotik-Innovatoren auf das Wesentliche konzentrieren – den Einsatz intelligenter Maschinen, die sicher, zuverlässig und autonom in der realen Welt funktionieren.

Beschleunigen Sie Ihren nächsten Robotik-Einsatz mit den Embedded-Computing-Lösungen von ADLINK.