Při implementaci několika diskrétních senzorů je obtížné dosáhnout vyváženého řešení, kde se neupřednostní jeden senzor před ostatníma. To vede k nedostatečné škálovatelnosti a snížení výkonu celého systému. Jedním z řešení je tak použití fúze senzorů v jednom integrovaném obvodu. Přidáním umělé inteligence nebo strojového učení se dosáhneme ještě vyššího výkonu, a proto jsou k dispozici „samocvičící“ senzory s vestavěnými algoritmy AI a ML.

Tento článek začíná přehledem fúze (spojení) senzorů diskrétním řešením, 32bitového MCU a software s podporou strojového učení ML. Dále si představíme řadu fúze senzorů v podobě integrovaného obvodu a příklady aplikací v logistických zařízeních, datových centrech, automatizaci procesů, aplikacích pro manipulaci s materiálem a zemědělských zařízeních. Na závěr se podíváme na integrované řešení environmentálních senzorů s integrovaným softwarem s podporou umělé inteligence od Renesas Electronics , Sensirion , TE Connectivity , ACEINNA , Bosch Sensortec  a TDK InvenSense.

Nebude chybět referenční deska od Renesasu, která je založena na 32bitovém MCU s jádrem Arm Cortex-M4 pracující na frekvenci 120 MHz, s pamětí Flash 2 MB a SRAM 640 KB. Související vývojový kit obsahuje senzor kvality vzduchu, světelný senzor, senzor teploty a vlhkosti, 6osou inerciální měřicí jednotku (IMU), mikrofon a připojení Bluetooth Low Energy (BLE) (obrázek 1).

Obrázek 1: IoT vývojová deska s několika senzory, s automatizovaným vývojovým software pro ML a konektivitou BLE. (Zdroj obrázku: Renesas Electronics)

Stabilizační senzor náklonu

Senzory náklonu jsou specializované IMU jednotky používané v zemědělských strojích, terénních a manipulačních vozidlech a těžkých stavebních strojích, jelikož bezpečnostní normy je vyžadují k zajištění bezpečného provozu stroje. Snímače náklonu lze sestavit diskrétním řešením pomocí několika samostatných součástek, ale není to jednoduchá cesta. Jádrem senzoru náklonu je gyroskop, který měří úhlovou rychlost neboli rychlost otáčení kolem osy. Pokud je zařízení v pohybu, gyroskop dodává relativně správné výsledky o velikosti náklonu. Problém nastává , když zařízení v pohybu není. Další nevýhodou je to, že v průběhu času se u gyroskopu díky driftu kumulují chyby a až se dosáhne kritického bodu, kdy přesnost senzoru již není dostatečná.

Proto se ke gyroskopu přidává akcelerometr pro měření pohybu, který sdělí systému, kdy je zařízení v pohybu a kdy je ne. Díky tomu je možné použít poslední výstup z gyroskopu a získat tak správný úhel náklonu. Posledním dílem skládačky je teplotní senzor, který kompenzuje účinky měnící se teploty na gyroskop a akcelerometr. Pro spojení výstupů jednotlivých senzorů v konečném senzoru náklonu se často používají Kalmanovy filtry. Pokud jsou senzory provozovány v lineární oblasti, lze použít standardní Kalmanův filtr založený na lineárním kvadratickém odhadu. Senzory náklonu pracující v nelineární oblasti používají rozšířený Kalmanův filtr, který linearizuje výsledky pomocí aktuální střední hodnoty a kovariance. Snímač náklon AXISENSE-G-700 od TE Connectivity a MTLT305D od ACEINNA mají šest stupňů volnosti (6 DoF) snímání pohybu. Tři z gyroskopu, tři z akcelerometru a využívají Kalmanovy filtry pro spojení výstupů těchto senzorů (obrázek 2 ).

Obrázek 2: Senzor náklonu AXISENSE-G-700 spojuje data ze senzorů akcelerometru, rotace a teploty a tím poskytuje přesné informace o náklonu v dynamickém prostředí. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Fúze (spojení) devíti senzorů do jednoho

V mnoha případech stačí 6 stupňů volnosti, ale některé aplikace pro sledování pohybu jako jsou drony, vozidla a zařízení pro virtuální realitu potřebují ke své činnosti data z 9 stupňů volnosti. Modul OPENIMU300RI od ACEINNA je určen pro použití v 12 V a 24 V automobilových, stavebních a zemědělských vozidlech. Kromě gyroskopu a akcelerometru má tato IMU jednotka anizotropní magnetorezistivní (AMR) magnetometr se 3 stupni volnosti. Procesor ARM shromažďuje data ze senzorů a používá OpenIMU software, GPS a inerciální navigační systém (INS). Stack také obsahuje přizpůsobitelný Kalmanův filtr pro fúzi senzorů.

TDK InvenSense také nabízí 9osou jednotku pro sledování pohybu. ICM-20948 má rozsah provozních teplot -40 °C až 85 °C, díky čemuž je vhodná pro aplikace v náročných prostředích jako je průmyslová automatizace a autonomní systémy. Nabízí tříosý MEMS gyroskop, tříosý MEMS akcelerometr a tříosý MEMS magnetometr. Kromě 9 stupňů volnosti má ICM-20948 nezávislé analogově-digitální převodníky (ADC) pro každý senzor, obvody pro úpravu signálu a digitální pohybový procesor (DMP) (obrázek 3).

Obrázek 3: Tato integrovaná senzorová jednotka nabízí 9 stupňů volnosti pomocí tříosého gyroskopu, tříosého akcelerometru a tříosého magnetometru. (Zdroj obrázku: TDK InvenSense)

Vlastnosti ICM-20948:

• Tři nezávislé vibrační gyroskopy MEMS. Pokud se gyroskopy otáčí kolem kterékoli ze tří os, Coriolisův efekt způsobí vibraci detekovanou kapacitním snímačem. Výstup ze snímače je zpracován tak, aby vytvořil napětí, které je úměrné úhlové rychlosti.
• 3osý akcelerometr MEMS má samostatné závaží (hmotu) pro každou osu. Zrychlení podél osy přemístí odpovídající závaží, kterou detekuje kapacitní snímač. Když je ICM-20948 umístěn na rovném povrchu výstupem je 0 g na ose X a Y a +1 g na ose Z.
• Magnetometr je založen na principu Hallového senzor, který detekuje zemský magnetismus v osách X, Y a Z. Výstup snímače je generován obvodem budiče snímače, zesilovačem, 16bitovým ADC a aritmetickým obvodem pro zpracování výsledného signálu. Každá osa má plný rozsah ±4900 µT.

DMP (Digitální Pohybový Procesor) v ICM-20948 je vlastně diferenciátor s následujícími vlastnostmi:

• Odlehčuje hostitelský procesor od výpočtů algoritmů pohybu, a tím snižuje spotřebu energie a zjednodušuje načasování a softwarovou architekturu. DMP zajišťuje, že algoritmy pro zpracování pohybu mohou být spouštěny vysokou rychlostí, kolem 200 Hz, aby poskytovaly přesné výsledky s nízkou latencí. Provoz při 200 Hz se doporučuje, i když se aplikace aktualizuje mnohem pomaleji, například 5 Hz. Oddělení rychlosti zpracování DMP od rychlosti aktualizace aplikace zajišťuje robustnější výkon systému.
• DMP umožňuje dosáhnout extrémně nízké spotřeby energie a pomocí něho lze provádět kalibraci senzorů na pozadí. Kalibrace je nutná k udržení optimálního výkonu jednotlivých senzorů a procesů fúze senzorů po celou dobu životnosti.
• DMP zjednodušuje softwarovou architekturu, a tím zrychluje vývoj software a rychlejší uvedení na trh.

Integrované senzory prostředí

Monitorování prostředí je zásadní v aplikacích pro zpracování a skladování potravin, chemických závodech, logistických provozech, datových centrech, pěstování skleníkových plodin, HVAC systémech a dalších oblastech. K výpočtu rosného bodu je nutné znát hodnotu relativní vlhkosti (RH) a teploty. Řada SHTC3 od Sensirionu jsou digitální snímače vlhkosti a teploty optimalizované pro edge aplikace napájené bateriemi. Kromě kapacitního snímače vlhkosti a snímače teploty bandgap jsou k dispozici jednotky pro analogové a digitální zpracování signálu, A/D převodníky, paměť pro kalibrační data a komunikační rozhraní I²C. Miniaturní rozměry DFN pouzdra 2 x 2 x 0,75 mm je ideální volbou pro aplikace s omezeným prostorem. Široký rozsah napájecího napětí 1,62 V až 3,6 V a energetický rozpočet nižší než 1 μJ na měření činí SHTC3 vhodným pro bateriově napájená bezdrátová zařízení (obrázek 4). Například SHTC3-TR-10KS je dodáváno v množství 10 000 na Digi-Reel, pásce či kotouči. Pro urychlení vývoje systému lze využít vývojovou desku SHTC3 eval.

Obrázek 4: SHTC3 je ideální volbou pro monitorování prostředí, jelikož obsahuje digitální senzory vlhkosti a teploty. (Zdroj obrázku: Sensirion)

Přidání senzoru pro měření barometrického tlaku

Znalost hodnoty barometrického tlaku je důležitou informací v řídicích systémech domácí automatizace, systémech HVAC, fitness zařízeních a vnitřních navigačních aplikacích. K tomuto účelu je k dispozici integrovaná environmentální jednotka BME280 od Bosch Sensortec, která obsahuje senzor barometrického tlaku spolu se senzory vlhkosti a teploty. Senzory jsou nízkošumové a poskytují vysokou přesnost a rozlišení. Tlakový senzor měří absolutní barometrický tlak a integrovaný teplotní senzor je optimalizován tak, aby spolupracoval se snímačem vlhkosti pro určení relativní vlhkosti a rosného bodu. Znalost teploty slouží také k teplotní kompenzaci barometru. Pro urychlení vývoje lze využít vývojovou desku SHUTTLE BOARD 3.0 BME280.

Umělá inteligence pro snímání prostředí

Bosch Sensortec také nabízí environmentální senzor 4 v 1 se zabudovanou umělou inteligencí. BME688 obsahuje senzor vzduchu a přesné senzory tlaku, vlhkosti a teploty. Dodává se v odolném pouzdře 3,0 x 3,0 x 0,9 mm, který je vhodný pro mobilní a jiné prostorově omezené aplikace (obrázek 5).

Obrázek 5: Bosch Sensortec BME688 obsahuje senzor vzduchu a senzory tlaku, vlhkosti a teploty. To vše s podporou AI. (Zdroj obrázku: Bosch Sensortec)

Senzor vzduchu dokáže detekovat těkavé organické sloučeniny (VOC), těkavé sloučeniny síry (VSC) a další plyny jako je oxid uhelnatý a vodík, v rozsahu dílů na miliardu (ppb). BME688 obsahuje funkci skeneru plynu, který lze přizpůsobit dle citlivosti, selektivitě, rychlosti přenosu dat a spotřebě energie. Software BME AI-Studio pomáhá nastavit konfigurační data senzoru vzduchu i pro jiné směsi plynů. Vývojovou desku BME688 eval lze konfigurovat také pomocí BME AI-Studia. Tento software slouží nejen ke konfiguraci, ale také pro analýzu dat, strojové učení a optimalizaci aplikačních řešení pro továrny, logistická zařízení, chytrou domácnost a zařízení internetu věcí. Odběr vzorků plynů a učení systému přímo v terénu namísto v laboratoři umožňuje navrhnout realističtější algoritmy, které fungují lépe a poskytují vyšší úroveň spolehlivosti za skutečných provozních podmínek. Schopnost BME688 současně měřit kromě plynů také vlhkost, teplotu a barometrický tlak, pomůže vyvinout komplexnější a přesnější modely umělé inteligence.

Závěr

Senzorové fúzní systémy pro Průmysl 4.0, logistiku a další aplikace lze vyvinout pomocí řady diskrétních senzorů nebo pomocí integrovaného řešení – čili spojení více senzorů do jednoho integrovaného obvodu. Integrované řešení nabízí menší velikost a nižší spotřebu, a to jsou ideální vlastnosti pro mobilní a edge aplikace. Ať jsou použity diskrétní senzory nebo integrované řešení, výkon lze zvýšit přidáním AI a ML.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com