Connect with us

Hi, what are you looking for?

IT & Telekommunikation

Sensoren lernen das Denken

Roboter in der Fertigungsumgebung
Roboter in der Fertigungsumgebung

Im Fraunhofer-Leitprojekt NeurOSmart forscht das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS zusammen mit vier weiteren Instituten (ISIT, IMS, IWU, IAIS) unter Leitung des Fraunhofer ISIT gemeinsam an besonders energieeffizienten und intelligenten Sensoren für die nächste Generation autonomer Systeme. Dabei werden die Brücken zwischen Wahrnehmung und Informationsverarbeitung durch innovative Elektronik neu definiert.

Intelligente Maschinen werden zunehmender Bestandteil unseres Alltages. Naheliegende Beispiele sind das autonome Fahren oder etwa moderne Roboter-Staubsauger im Haushalt. Doch auch dort, wo wir nicht direkt mit ihnen in den Kontakt kommen, sind selbstständig arbeitende Roboter zunehmend unerlässlich: Als flinke und unermüdliche Helfer in Logistikzentren oder als präzise und starke Partner in Fertigungsumgebungen.

Um in diesen Anwendungen autonom, also möglichst eigenständig ohne Überwachung durch Menschen, arbeiten zu können, sind diese Roboter mit Sensoren und Elektronik gespickt, die es ihnen ermöglichen, ihre Umgebung wahrzunehmen und auch unvorhergesehene Situationen eigenständig zu bewältigen. Je komplizierter das Aufgabengebiet, desto intelligenter und agiler muss die Maschine sein. Dies führt dazu, dass immer mehr und verschiedene Sensoren, etwa für die Abstandmessung, für die Bewegungserfassung oder die Druckbestimmung bei Berührungen, kombiniert werden und die Elektronik und Computertechnik für die Erfassung und Verarbeitung der Daten immer leistungsstärker sein muss.

Allerdings geht dieser Trend zu mobilen Supercomputern mit einem erheblich steigenden Energieverbrauch einher. Besonders bei mobilen Systemen führt dies zu einer verkürzten Einsatzdauer oder Reichweite und stößt laut aktuellen Prognosen in den nächsten Jahrzehnten gar an die Grenzen der weltweiten Energieerzeugung.

Um dieser Eskalation entgegenzuwirken, setzten die in NeurOSmart beteiligten Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher auf einen neuromorphen In-Memory-Beschleuniger, der auf den jeweiligen Sensor maßgeschneidert wird. Als Vorbild für die zu entwickelnde Elektronik dient das menschliche Gehirn, denn dieses ist trotz seiner enormen Rechenleistung sehr energiesparend beim Treffen von Entscheidungen.

»Diese Art der Datenverarbeitung, also des Denkens, wird durch eine neuartige analoge Computer-Speichertechnologie realisiert, die zudem in der Lage ist, Rechenoperationen durchzuführen, wenn Daten in dem System neu erfasst werden«, erläutert der ISIT-Wissenschaftler und Projektleiter Dr. Michael Mensing: »In der Praxis wird dies genutzt, um Objekte und ihr Verhalten exakt und in Echtzeit zu erkennen.« Bisher sind für diese Funktionsweise mehrere getrennt entwickelte Komponenten in Computern und eine besonders energieaufwändige Kommunikation zwischen ihnen nötig.

Unterstrichen werden die Vorteile des neuen Ansatzes durch die parallele Entwicklung besonders kleiner und effizienter Modelle für die Objekterkennung und -klassifizierung, die speziell auf den Sensor, die neuen Möglichkeiten der direkt integrierten Elektronik und ihre Anwendungen angepasst werden. Das Resultat ist eine schnelle Reaktionszeit, erhöhter Datenschutz und erhebliche Energieeinsparung gegenüber dem aktuellen Trend von praxisfernen oder cloudbasierten Lösungen, die bevorzugt auf immer größere, energieintensivere Modelle zurückgreifen.

In der Projektlaufzeit von vier Jahren mit einem Finanzvolumen von acht Millionen Euro soll dieser Ansatz erstmals mit einem komplexen bei Fraunhofer entwickelten LiDAR-System kombiniert und in anwendungsnaher Umgebung erprobt werden. Dieses Sensorsystem ist ein entscheidender Bestandteil autonom arbeitender Systeme, da er seine Umgebung mithilfe detaillierter Abstandsinformationen auch bei schlechtem Wetter und über einen weiten Entfernungsbereich erkennt. Als erste Probe der neuartigen Sensoren werden sie in den nächsten Jahren in Robotersysteme integriert, die ihren menschlichen Kolleginnen und Kollegen in Fertigungsumgebungen unterstützen, beispielsweise durch das Bewegen von schweren Lasten oder Anreichen von Komponenten.

Innerhalb des Projekts entwickelt das Fraunhofer IPMS den Schaltkreis des neuromorphen Beschleunigers. Den Kern des analogen Beschleunigers bilden dabei moderne HfO2-basierte Crossbars. Damit lassen sich die komplexen, oft iterativen digitalen Berechnungen von KI-Modellen (z.B. in CNNs), die sonst mit hohem Energieaufwand auf generalisierten Grafikkarten berechnet werden müssen, auf energieeffiziente Speicheroperationen im Schaltkreis abbilden. Für die interne Steuerung der Datenflüsse wird der RISC-V-Prozessorkern EMSA5 mit direkten Schnittstellen zur analogen Beschleunigerbaugruppe und übergeordneten Systemen sowie Fehlerschutzmechanismen implementiert. Die Erforschung einer softwareprogrammierbaren Systemarchitektur wird einen flexiblen Einsatz des Schaltkreises in einer Vielzahl von Anwendungsfällen ermöglichen.

Weiterhin trainiert das Fraunhofer IPMS gemeinsam mit dem Fraunhofer IAIS den Schaltkreis des neuromorphen Beschleunigers. Dafür wird in einem ersten Schritt das neuronale Netzmodell für die LiDAR-Datenauswertung erforscht. Ziel ist dabei die automatisierte Abbildung auf der verfügbaren Hardwaretopologie sowie deren Übertragung auf ein Schaltkreisdesign. Im System analysiert der Schaltkreis vorverarbeitete LiDAR-Daten. Dabei erfolgt die Kommunikation zwischen Vorverarbeitung (FPGA) und Beschleuniger-Schaltkreis über eine echtzeitfähige Highspeed-Ethernet-Schnittstelle.

Abschließend ist das Fraunhofer IPMS gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT an der Validierung der neuen Speicherzellen-Ansätze für zukünftige Beschleunigerumsetzungen beteiligt.

Bildquellen

  • Machine-Perception: Fraunhofer IPMS / Shutterstock
Anzeige

Marketing News

Der Online-An- und Verkaufsdienst für Konsumentenelektronik mySWOOOP startet eine Markenkampagne. Dabei hat TRES BIEN die Produktion des Werbespots übernommen.

News

Die Tabaksteuer ist für den deutschen Staat eine wichtige Einnahmequelle. Künftig soll die Steuer auf Tabakwaren noch teurer werden, was insbesondere die Shisha-Branche, die...

News

Es heißt, die Blockchain sei sicher - viel sicherer als zentralisierte Systeme. Doch nicht nur die Blockchain-Technologie, auch alle anderen Technologien entwickeln sich ständig...

News

Einnahmen für Werbung auf dem Privatauto der Mitarbeiter sind nicht mehr steuerfrei. Das hat der Bundesfinanzhof (BFH) entschieden. Arbeitgeberinnen müssen künftig auf dieses steuerliche...

Finanzen

Möchte man sich bei einem Crypto Presale bereits frühzeitig an Kryptowährungen beteiligen, bietet sich ein sogenannter Coin Launch an. Damit lässt sich ein großer...

News

Es ist so weit – Weihnachten steht wieder vor der Tür. Weihnachtsgeschenke, Familienzusammenkünfte und viele Köstlichkeiten zum Essen stehen auf der Agenda. Weihnachten ist...

Threema als sichere Alternative zu Whatsapp & Co.?

Threema Messenger

Viele Menschen nutzen die Kurznachrichtendienste Whatsapp oder Telegram zur Kommunikation. Allerdings gibt es inzwischen sichere und bessere Alternativen wie den Schweizer Messenger Threema auf dem Markt.

ZIM Förderung

ZIM Förderung

ZIM Förderung – Programm für mehr Innovation und Wachstum im Mittelstand

Weitere Beiträge

Marketing News

Der Online-An- und Verkaufsdienst für Konsumentenelektronik mySWOOOP startet eine Markenkampagne. Dabei hat TRES BIEN die Produktion des Werbespots übernommen.

News

Die Tabaksteuer ist für den deutschen Staat eine wichtige Einnahmequelle. Künftig soll die Steuer auf Tabakwaren noch teurer werden, was insbesondere die Shisha-Branche, die...

News

Einnahmen für Werbung auf dem Privatauto der Mitarbeiter sind nicht mehr steuerfrei. Das hat der Bundesfinanzhof (BFH) entschieden. Arbeitgeberinnen müssen künftig auf dieses steuerliche...

News

Es ist so weit – Weihnachten steht wieder vor der Tür. Weihnachtsgeschenke, Familienzusammenkünfte und viele Köstlichkeiten zum Essen stehen auf der Agenda. Weihnachten ist...

E-Commerce

Das Warenwirtschaftssystem (WaWi) gehört zu den zentralen Elementen im stationären Handel und bei Onlineshops. Es ist eine computergestützte Lösung, mit der bedeutsame Aufgaben gesteuert...

News

Eines der größten Events in NRW für den Mittelstand im digitalen Wandel findet am 1. Februar 2023 im Kameha Grand Bonn am Bonner Bogen...

Fachwissen

Das Google Business Profile ist eines der effizientesten Marketing-Tools für kleine- und mittelständische Unternehmen. Mit einem perfekten Business Profile halten Sie zum einen Kontakt...

News

Immer häufiger hört und liest man von der Bedrohung eines Blackouts. Strom ist allgegenwärtig und aus dem beruflichen und privaten Leben nicht wegzudenken. Vor...

Anzeige