Cum să utilizați fuziunea senzorilor pentru a îmbunătăți procesele de producție și logistica din Industria 4.0

Fuziunea senzorilor combină datele de la mai mulți senzori pentru a oferi o înțelegere mai detaliată și mai nuanțată a funcționării sistemului sau a mediului. În multe cazuri, punctele slabe ale unei tehnologii de senzor pot fi depășite prin adăugarea (fuziunea) informațiilor de la o a doua tehnologie de senzor. Adăugarea inteligenței artificiale (AI) și a învățării automate (ML) poate spori puterea de fuziune a senzorilor.

Fuziunea senzorilor vine la pachet cu mai multe provocări care trebuie abordate. De exemplu, poate fi dificil să dezvolți o soluție echilibrată și să nu „favorizezi” una dintre tehnologii în detrimentul celorlalte. Acest lucru poate duce la o lipsă de scalabilitate și la o performanță redusă. O modalitate de a aborda această provocare este integrarea mai multor tehnologii de senzori într-o singură capsulă. Fuziunea senzorilor nu este limitată la utilizarea mai multor senzori discreți.

Indiferent de nivelul de integrare a senzorilor, adăugarea tehnologiilor AI sau ML poate îmbunătăți performanța, însă instruirea poate fi complexă și poate necesita mult timp. În schimb, proiectanții pot utiliza senzori cu autoinstruire, cu funcții integrate de AI și ML.

Acest articol începe prin examinarea unei implementări a fuziunii senzorilor utilizând senzori discreți, un MCU pe 32 de biți și software ML. Apoi, prezintă o serie de soluții integrate de fuziune a senzorilor și exemple de aplicații în instalații logistice, centre de date, automatizarea proceselor, manipularea materialelor și echipamente agricole.

În final, analizează o soluție integrată de fuziune a senzorilor de mediu cu software integrat de inteligență artificială. Pe parcursul discuției, vor fi incluse exemple de dispozitive de la Renesas Electronics, Sensirion, TE Connectivity, ACEINNA, Bosch Sensortec și TDK InvenSense.

Proiectanții pot explora opțiunile de fuziune a senzorilor utilizând o placă de proiectare de referință de la Renesas. Placa se bazează pe un MCU pe 32 de biți cu un nucleu Arm® Cortex®-M4 de 120 MHz, memorie Flash de cod de până la 2 MB și SRAM de 640 KB, plus numeroase opțiuni de interfață și conectivitate.

Kitul de evaluare asociat este optimizat pentru proiecte cu senzori multipli și fuziune de senzori. Acesta include un senzor de calitate a aerului, un senzor de lumină, un senzor de temperatură și umiditate, o unitate de măsurare inerțială (IMU) cu 6 axe, un microfon și conectivitate Bluetooth Low Energy (BLE) (Figura 1). Proiectul de referință include, de asemenea, o platformă ML automată pentru dispozitive periferice și aplicații de fuziune a senzorilor.

Figura 1: Placă de evaluare și dezvoltare a fuziunii senzorilor IoT cu software de dezvoltare ML automat și conectivitate BLE. (Sursa imaginii: Renesas Electronics)

Senzori de înclinare cu stabilizare

Senzorii de înclinare sunt IMU-uri specializate utilizate în diverse aplicații, inclusiv utilaje agricole, vehicule de teren, manipularea materialelor și echipamente de construcții grele. Standardele de siguranță necesită uneori senzori de înclinare pentru a oferi medii de operare sigure. Senzorii de înclinare pot fi asamblați folosind mai multe dispozitive discrete, ceea ce poate fi complicat.

Nucleul celor mai multe modele de senzori de înclinare este un senzor giroscopic (giroscop) care măsoară viteza unghiulară sau viteza de rotație în jurul unei axe. Acest lucru este excelent dacă platforma este în mișcare, dar dacă nu se mai mișcă, să zicem că este înclinată la un unghi de 20 de grade, semnalul senzorului ajunge la zero. În plus, un giroscop poate suferi o derivă semnificativă în timp, erorile acumulându-se și producând în cele din urmă o măsurătoare care nu mai este precisă sau utilă.

Pentru a depăși limitările giroscoapelor, soluțiile cu senzor de înclinare dinamic adaugă un accelerometru pentru măsurarea mișcării. Acesta poate spune sistemului când s-a oprit din mișcare și îi permite să utilizeze ultima ieșire de la giroscop pentru a estima unghiul de înclinare. O piesă finală a puzzle-ului este un senzor de temperatură care compensează efectele temperaturilor variabile asupra giroscopului și accelerometrului.

Filtrele Kalman sunt adesea utilizate pentru fuziunea senzorilor în cazul senzorilor de înclinare. Un filtru Kalman standard bazat pe estimarea liniară pătratică poate fi utilizat dacă senzorii funcționează într-o regiune liniară de performanță. Filtrele Kalman pot produce estimări relativ precise ale stării chiar și în sisteme precum senzorii de înclinare cu incertitudine inerentă și erori de acumulare.

Senzorii de înclinare care funcționează într-o regiune neliniară pot beneficia de un filtru Kalman extins care liniarizează estimările utilizând valoarea medie și covarianța curentă.

Senzorii de înclinare precum AXISENSE-G-700 de la TE Connectivity și MTLT305D de la ACEINNA au șase grade de libertate (6 DoF) pentru detectarea mișcării, trei de la giroscop și trei de la accelerometru, și utilizează tehnici de filtrare Kalman pentru fuziunea senzorilor (Figura 2).

Figura 2: Senzorul de înclinare AXISENSE-G-700 fuzionează datele de la senzorii de accelerație, rotație și temperatură pentru a furniza informații precise privind înclinarea în medii dinamice. (Sursa imaginii: TE Connectivity)

Fuziunea nouă-în-unu

Deși 6 DoF sunt suficiente în multe cazuri, unele aplicații de urmărire a mișcării, cum ar fi dronele, vehiculele și dispozitivele de realitate virtuală, pot beneficia de informațiile suplimentare furnizate de utilizarea a 9 DoF.

Modulul OPENIMU300RI de la ACEINNA este proiectat pentru a fi utilizat în autovehicule de 12 V și 24 V, pentru construcții și vehiculele agricole. Pe lângă giroscop și accelerometru, această IMU are un magnetometru magnetorezistiv anizotropic (AMR) cu 3 DoF.

Un procesor ARM colectează datele senzorului și implementează OpenIMU, o stivă open-source pentru dezvoltarea IMU, a sistemului de poziționare globală (GPS) și a sistemului de navigație inerțială (INS). Stiva include un filtru Kalman personalizabil pentru fuziunea senzorilor.

TDK InvenSense oferă, de asemenea, un dispozitiv de urmărire a mișcării cu 9 axe. Modelul ICM-20948 are un interval al temperaturii de funcționare de la -40 °C la 85 °C, ceea ce îl face potrivit pentru diverse aplicații în medii dificile, cum ar fi automatizarea industrială și sistemele autonome. Acesta include un giroscop cu trei axe bazat pe un sistem microelectromecanic (MEMS), un accelerometru cu trei axe bazat pe MEMS și un magnetometru/compas cu trei axe bazat pe MEMS.

Pe lângă senzorii de mișcare cu 9 DoF, ICM-20948 are convertoare analogice-digitale (ADC) independente pentru fiecare senzor, circuite de condiționare a semnalului și un procesor digital de mișcare (DMP) (Figura 3).

Figura 3: Această platformă integrată de senzori acceptă 9 DoF utilizând un giroscop cu trei axe și un accelerometru cu trei axe (partea stângă), plus un magnetometru/compas cu trei axe (dreapta jos). (Sursa imaginii: TDK InvenSense)

Unele detalii ICM-20948 includ:

Trei giroscoape MEMS vibraționale independente. Dacă giroscoapele sunt rotite în jurul oricăreia dintre cele trei axe, efectul Coriolis provoacă o vibrație detectată de un captator capacitiv. Ieșirea de la captator este procesată pentru a produce o tensiune care este proporțională cu viteza unghiulară.

Accelerometrul MEMS cu 3 axe are mase separate pentru fiecare axă. Accelerația de-a lungul unei axe deplasează masa corespunzătoare, care este detectată de un captator capacitiv. Atunci când ICM-20948 este plasat pe o suprafață plană, acesta va măsura 0 g pe axele X și Y și +1 g pe axa Z.

Magnetometrul se bazează pe tehnologia senzorului Hall. Acesta detectează magnetismul terestru în axele X, Y și Z. Ieșirea senzorului este generată cu un circuit de comandă a senzorului, un amplificator, un ADC pe 16 biți și un circuit aritmetic pentru prelucrarea semnalului rezultat. Fiecare axă are o gamă la scară maximă de ±4900 µT.

DMP în ICM-20948 este un diferențiator. Unele dintre caracteristicile și beneficiile sale includ:

• Descărcarea calculării algoritmilor de procesare a mișcării de la procesorul gazdă minimizează consumul de energie și simplifică sincronizarea și arhitectura software. DMP garantează că algoritmii de procesare a mișcării pot fi executați la o viteză ridicată, de aproximativ 200 Hz, pentru a furniza rezultate precise cu latență redusă. Se recomandă operarea la 200 Hz, chiar dacă aplicația se actualizează mult mai lent, de exemplu la 5 Hz. Decuplarea ratei de procesare a DMP de rata de actualizare a aplicației asigură o performanță mai robustă a sistemului.
• DMP permite un timp de funcționare ultra-redus și calibrarea în fundal a senzorilor. Calibrarea este necesară pentru a menține performanța optimă a senzorilor individuali și a proceselor de fuziune a senzorilor pe durata de viață a dispozitivului.
• DMP simplifică arhitectura software și accelerează dezvoltarea software, ceea ce duce la o lansare mai rapidă pe piață.

Senzori de mediu integrați

Monitorizarea mediului este esențială în procesarea și depozitarea alimentelor, fabricile de produse chimice, operațiunile logistice, centrele de date, producția de culturi în sere, sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC) și în alte domenii. Măsurătorile umidității relative (RH) și ale temperaturii pot fi fuzionate pentru a calcula punctul de rouă.

Produsele din seria SHTC3 de la Sensirion sunt senzori digitali de umiditate și temperatură optimizați pentru aplicațiile periferice cu baterii și în electronicele de consum de volum mare. Platforma senzorului CMOS include un senzor capacitiv de umiditate, un senzor de temperatură cu bandă interzisă, procesare analogică și digitală a semnalului, convertor A/D, memorie de date de calibrare și o interfață de comunicare I²C cu mod rapid.

Capsula DFN mică, de 2 x 2 x 0,75 mm, permite aplicații cu spațiu limitat. Tensiunea amplă de alimentare de la 1,62 V la 3,6 V și un buget energetic sub 1 μJ per măsurătoare fac ca SHTC3 să fie potrivit pentru dispozitivele mobile sau fără fir alimentate de baterii (Figura 4). De exemplu, numărul de catalog SHTC3-TR-10KS este livrat în cantități de 10.000 în format Digi-Reel, bandă și mosor sau bandă tăiată la lungime. Proiectanții pot utiliza placa de evaluare SHTC3 pentru a accelera dezvoltarea sistemului.

Figura 4: Acest dispozitiv de monitorizare a mediului include senzori digitali de umiditate și temperatură. (Sursa imaginii: Sensirion)

Adăugarea presiunii barometrice

Conștientizarea contextului și a locației sunt din ce în ce mai importante în comenzile de automatizare a locuinței, sistemele HVAC, echipamentele de fitness și aplicațiile de navigare de interior. Proiectarea acestor sisteme poate beneficia de utilizarea unității integrate de mediu BME280 de la Bosch Sensortec, ce adaugă un senzor de presiune barometrică împreună cu senzorii de umiditate și temperatură.

Senzorii sunt modele cu zgomot redus, care oferă precizie și rezoluție ridicate. Senzorul de presiune măsoară presiunea barometrică absolută. Temperatura integrată este optimizată pentru a lucra cu senzorul de umiditate, în scopul de a determina RH și punctul de rouă. De asemenea, se utilizează pentru a asigura compensarea temperaturii pentru barometru. Este disponibilă o placă de dezvoltare pentru accelerarea procesului de proiectare și integrare a sistemului.

AI pentru detectarea mediului

Bosch Sensortec oferă, de asemenea, un senzor de mediu 4-în-1 cu AI încorporat. BME688 include un senzor de gaz și senzori de presiune, umiditate și temperatură cu liniaritate ridicată și acuratețe ridicată. Acesta este livrat într-o capsulă robustă de 3,0 mm x 3,0 mm x 0,9 mm, potrivită pentru aplicații mobile și alte aplicații cu spațiu limitat (Figura 5).

Figura 5: BME688 de la Bosch Sensortec include un senzor de gaz plus senzori de presiune, umiditate și temperatură, toate fiind susținute cu AI integrat. (Sursa imaginii: Bosch Sensortec)

Senzorul de gaz poate detecta compuși organici volatili (COV), compuși volatili ai sulfului (VSC) și alte gaze, cum ar fi monoxidul de carbon și hidrogenul, în intervalul de părți pe miliard (ppb). BME688 include o funcție de scanare a gazelor care poate fi personalizată pentru sensibilitate, selectivitate, viteza de transfer al datelor și consumul de energie.

Software-ul BME AI-Studio optimizează, de asemenea, senzorul de gaz pentru alte amestecuri de gaze și aplicații. Placa de evaluare BME688 poate fi configurată cu software-ul BME AI-Studio. BME AI-Studio susține configurarea senzorilor, analiza și etichetarea datelor, instruirea și optimizarea soluțiilor de aplicații pentru fabrici, unități logistice, case inteligente și dispozitive IoT.

Prelevarea de probe de gaze și instruirea sistemului pe teren și nu în laborator permit proiectarea unor algoritmi mai realiști care funcționează mai bine și oferă niveluri mai ridicate de fiabilitate în condiții reale de funcționare. Profitând de capacitatea BME688 de a măsura simultan umiditatea, temperatura și presiunea barometrică, în plus față de gaze, pot fi dezvoltate modele AI mai cuprinzătoare și mai precise.

Concluzie

Sistemele de fuziune a senzorilor pentru Industria 4.0, logistică și alte aplicații pot fi dezvoltate utilizând o serie de senzori discreți sau o soluție integrată care include mai mulți senzori într-o singură capsulă. Dispozitivele integrate pot produce soluții mai mici și cu consum redus de energie pentru aplicații mobile și periferice. Fie că utilizați senzori discreți sau o suită de senzori integrată, performanța poate fi îmbunătățită prin adăugarea tehnologiilor AI și ML.