Connect with us

Hi, what are you looking for?

IT & Software

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

Premium-Partner

Kontakt zu business-on.de

Wir berichten tagesaktuell über News, die die Wirtschaft bewegen und verändern – sprechen Sie uns gerne an wenn Sie Ihr Unternehmen auf business-on.de präsentieren möchten.

Über business-on.de

✉️ Redaktion:
[email protected]

✉️ Werbung:
[email protected]

Arbeitsleben

Die Arbeit nimmt im Leben vieler Menschen einen zentralen Platz ein. Sie strukturiert den Alltag, gibt Sicherheit und kann sinnstiftend sein. Doch was passiert,...

Business

Die korrekte Buchung von Privatentnahmen ist für Unternehmer, insbesondere Einzelunternehmer und Gesellschafter von Personengesellschaften, ein zentrales Thema im betrieblichen Rechnungswesen. Da geschäftliche und private...

Business

Wer durch die Pfalz reist, spürt schnell: Diese Region lebt von ihren Kontrasten – zwischen Weinbergen und Wäldern, Tradition und Moderne. Karin Dietl-Busche kennt...

Arbeitsleben

In der heutigen Arbeitswelt stehen viele Menschen unter zunehmendem Druck. Doch nicht jede Tätigkeit ist gleich belastend. Verschiedene Studien und Rankings zeigen, dass es...

Business

Der Einstieg in die Welt der professionellen Fahrzeugwäsche ist für viele eine attraktive Möglichkeit, sich im Bereich der Selbstständigkeit zu etablieren. Wer eine Autowaschanlage...

Innovation

Die digitale Transformation ist längst keine Frage mehr des Ob, sondern des Wie. Unternehmen aller Branchen setzen auf ERP-Systeme, um Abläufe zu zentralisieren, Datenflüsse...

Marketing-Partner

Weitere Beiträge

Business

Ein starkes Business Netzwerk zählt heute zu den wichtigsten Erfolgsfaktoren für Unternehmer, Führungskräfte und Selbstständige. In einer zunehmend vernetzten Welt bieten strategische Kontakte nicht...

Aktuell

Die Geschichte eines Unternehmens beginnt immer mit einer Idee – manchmal aber gepaart mit handwerklicher Hingabe, die über Generationen hinweg weitergetragen wird. Bei der...

Business

Trauer ist häufig noch ein Tabu-Thema. Genau deshalb braucht es Menschen, die genau wissen, wie sie mit Schmerz und Verlust umgehen – sensibel, diskret...

Expertentalk

Was bedeutet ein guter Abschied – und wie lässt er sich gestalten, wenn der Kopf voll ist mit Gefühlen, Fragen und Formalitäten? Bei Bestattungen...

Arbeitsleben

Globalisierung, Digitalisierung, neue Marktanforderungen – die Rahmenbedingungen für Unternehmen verändern sich rasant. Wer langfristig bestehen will, muss nicht nur auf neue Herausforderungen reagieren, sondern...

Expertentalk

Seit über vier Jahrzehnten steht die Weis Bernard GmbH in der Region rund um Trier für exzellente Qualität in den Bereichen Parkettverlegung und Raumausstattung....

Aktuell

Wenn Günther Stübler über Badplanung spricht, dann klingt das erstaunlich wenig nach Produktkatalog oder Verkaufsrhetorik. Es geht um Räume, in denen Menschen ihren Alltag...

Expertentalk

Wer in Bad Alexandersbad ankommt, betritt ein Heilbad mit Geschichte – und einen Raum, in dem architektonisches Erbe und wohltuende Gegenwart miteinander verschmelzen. Das...

Werbung