Derzeit erfolgt die Verarbeitung von Daten bei Cobots zumeist auf großen, externen Servern. Eingebettete künstliche Intelligenz (Edge KI) soll dies ändern und die Verarbeitung von Daten und Algorithmen direkt am Endgerät ermöglichen. Die Leistungsfähigkeit von Edge KI gerade in Kleinstgeräten und winzigen Bauelementen (MEMS) ist derzeit jedoch noch sehr eingeschränkt. Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS forscht daher an Lösungen, um Algorithmen des maschinellen Lernens in alltägliche Geräte zu integrieren.
So wurden in einem institutsinternen Projekt Erkenntnisse aus der Mikrosensorik und -aktorik mit neuesten Technologien der Nanoelektronik, drahtloser Kommunikation und Prozessorentwicklungen zusammengeführt. Die daraus entstehenden Synergieeffekte bieten Kunden nun maßgeschneiderte Komplettlösungen für hardwarenahe, KI-gesteuerte Mikrosensoren und -aktoren. Dabei wird eine sensor- beziehungsweise aktornahe Signalvorverarbeitung mittels KI-basierter Methoden (Embedded KI) ermöglicht. Die Vorteile liegen dabei sowohl in einer geringen Latenz in der Verarbeitung als auch in einer sichereren Datenverarbeitung ohne Netzwerkanbindung.
Edge KI ermöglicht autarke Entscheidungen des Cobots in Millisekunden
„Edge AI bedeutet, dass KI-Algorithmen entweder direkt auf dem Gerät oder auf einem gerätenahen Server ausgeführt werden“, erklärt Dr. Andreas Weder, Gruppenleiter Modulintegration am Fraunhofer IPMS. Dazu werden die Daten genutzt, die direkt vom Gerät erfasst werden – und zwar ohne dass eine Verbindung zum Internet (Cloud) hergestellt werden muss. Nur die Ergebnisse der Verarbeitung werden dann in die Cloud gespeist. Wedder: „So können die Geräte innerhalb von Millisekunden mittels KI autark Entscheidungen treffen.
Weiterhin ermöglicht die Edge-KI-Lösung ein Nachlernen im Feld, um das System für spezielle Vor-Ort-Randbedingungen zu optimieren. Speziell für Edge-KI-Sensoren/Aktoren-Lösungen wurde am Institut die bestehende RISC-V Computing Plattform EMSA5 um eine KI-Funktionalität erweitert. In einem Demonstratoraufbau auf der Messe Electronica 2022 wurde beispielhaft die Signalvorverarbeitung mit Sensoren und Aktoren veranschaulicht.
Die Anwendungsgebiete der genutzten Sensoren und Aktoren umfassen Spektrometer, ionensensitive Feldeffekttransistoren sowie Ultraschall-Bildgebung zur Zustandsüberwachung, Gestensteuerung oder Umgebungserkennung bei Cobots.
Prozessor IP Cores helfen Entwicklern, den Aufwand durch spezifizierte, vorverifizierte und getestete Designs zu reduzieren, das Integrationsrisiko zu minimieren und die Zeit bis zur Markteinführung zu verkürzen. Das Fraunhofer IPMS bietet neben den IP-Core-Modulen auch Anpassungen, Implementierungsunterstützung und Charakterisierung an. Auf Wunsch entwickelt das Institut auch neue IP- Core Designs für ASICs und FPGA-Systeme für spezielle Anforderungen. Ein besonderer Fokus liegt auf sicherheitskritischen Anwendungen.
Weitere Informationen:
Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS
Maria-Reiche-Str. 2
01109 Dresden
www.ipms.fraunhofer.de
