Érzékelők fúziója a termelési folyamatok és a logisztika javítására az Ipar 4.0-án belül

Az érzékelők fúziójával több érzékelőtől származó adatok egyesíthetők, hogy részletesebb és árnyaltabb kép legyen kapható egy rendszer működéséről vagy a környezetről. Sok esetben az egy érzékelős technológia gyengesége kiküszöbölhető egy másik érzékelési technika által nyert információ hozzáadásával (fúziójával). A mesterséges intelligencia (MI) és a gépi tanulás (GT) hozzáadásával az érzékelők fúziója tovább javítható.

Az érzékelők fúziójának megvalósítása során számos kihívással kell szembenézni. Nehéz lehet például kiegyensúlyozott megoldást kidolgozni, és nem „előnyben részesíteni” az egyik technológiát a másikkal szemben, mert emiatt a skálázhatóság lehetősége és a teljesítmény csökkenhet. Egy módszer lehet ezen problémák megoldására, ha több típusú érzékelési technikát integrálnak egyetlen csomagba. Az érzékelők fúziójakor nem csupán több különálló érzékelő használatáról beszélünk.

Az érzékelők integrációjának szintjétől függetlenül a mesterséges intelligencia vagy a gépi tanulás használata javíthatja a teljesítményt, de ezen rendszerek betanítása összetett és időigényes lehet. Ehelyett a tervezők beágyazott MI- és GT-képességekkel rendelkező, öntanuló érzékelőkhöz fordulhatnak.

Ez a cikk egy érzékelők fúziójával megvalósított rendszer áttekintésével kezdődik, amelynél diszkrét érzékelőket, egy 32 bites MCU-t és GT-szoftvert használnak. Ezután egy sor integrált érzékelőfúziós megoldást és alkalmazási példát mutat be a logisztikai létesítmények, az adatközpontok, a folyamatautomatizálás, az anyagmozgatás és a mezőgazdasági berendezések területén.

Zárásként egy integrált összevont környezetérzékelő megoldást mutat be, integrált MI szoftverrel. A cikkben a Renesas Electronics, a Sensirion, a TE Connectivity, az ACEINNA, a Bosch Sensortec és a TDK InvenSense eszközei kerülnek bemutatásra példaként.

A tervezők az érzékelőfúziós lehetőségeket a Renesas referenciakártyájának segítségével vizsgálhatják. A kártya egy 32 bites mikrovezérlőn alapul, 120 MHz-es Arm® Cortex®-M4 maggal rendelkezik, akár 2 MB Flash memóriával a programok számára, 640 kB SRAM-mal, valamint számos interfész és csatlakozási lehetőséggel.

A kapcsolódó fejlesztői készletet több érzékelős és érzékelőfúziós kialakításokhoz optimalizálták. Tartalmaz egy levegőminőség-érzékelőt, egy fényérzékelőt, egy hőmérséklet- és páratartalom-érzékelőt, egy 6 tengelyes inerciális mérőegységet (IMU), egy mikrofont és Bluetooth Low Energy (BLE) csatlakozási lehetőséget (1. ábra). A referencikártya tartalmaz egy automatizált GT platformot is peremhálózati eszközökhöz és érzékelőfúziós kialakításokhoz.

1. ábra: IoT érzékelőfúziós fejlesztői kártya automatizált gépi tanulási fejlesztői szoftverrel és BLE-kapcsolattal (kép: Renesas Electronics)

Stabilizáló dőlésérzékelők

A dőlésérzékelők speciális IMU-k, amelyeket különböző esetekben használnak, többek között mezőgazdasági gépekben, terepjárókban, anyagmozgatásban és nagy teherbírású építőipari berendezésekben. A biztonsági szabványok néha előírják a dőlésérzékelők kötelező jelenlétét a biztonságos működési környezet biztosítása érdekében. A dőlésérzékelőket több különálló eszközből lehet összeállítani, ami bonyolult lehet.

A legtöbb dőlésérzékelő kialakításának magja egy giroszkópos érzékelő (giroszkóp), amely egy tengely körüli szögsebességet vagy forgási sebességet mér. Ez nagyszerű, ha a platform mozgásban van, de ha megáll a mozgásban, mondjuk 20 fokos szögben megdől, az érzékelő kimenete nullára csökken. Ezenkívül a giroszkóp nullapont-beállítása idővel jelentősen eltolódhat, a hibák felhalmozódnak, és végül a mért érték már nem lesz pontos vagy használható.

A giroszkópok korlátainak kiküszöbölésére a dinamikus dőlésérzékelős megoldások gyorsulásmérővel bővítik a mozgás mérését. Ez jelzi a rendszernek, ha nincs mozgás, és lehetővé teszi, hogy a giroszkóp utolsó kimenetét használja a dőlésszög becsléséhez. A kirakós utolsó darabja egy hőmérséklet-érzékelő, amely kompenzálja a változó hőmérsékletnek a giroszkópra és a gyorsulásmérőre gyakorolt hatását.

Érzékelők fúziójakor gyakran használnak Kálmán-szűrőket a dőlésérzékelőkben. A lineáris kvadratikus becslésen alapuló standard Kálmán-szűrő használható, ha az érzékelők a teljesítmény lineáris tartományában működnek. A Kálmán-szűrők viszonylag pontos állapotbecsléseket tudnak készíteni még olyan rendszerek esetében is, mint a dőlésérzékelők, amelyekben eredendő bizonytalansági és felhalmozódási hibák vannak.

A nemlineáris tartományban működő dőlésérzékelők számára előnyös lehet egy kiterjesztett Kálmán-szűrő, amely a becsléseket az aktuális középérték és kovariancia segítségével linearizálja.

Az olyan dőlésérzékelők, mint a TE Connectivity AXISENSE-G-700 és az ACEINNA MTLT305D hat szabadsági fokú (6 DoF) mozgásérzékelésre képesek, három a giroszkóp és három a gyorsulásmérő által, és Kálmán-szűrési technikát alkalmaznak az érzékelők fúziójához (2. ábra).

2. ábra: Az AXISENSE-G-700 dőlésérzékelők a gyorsulás-, forgás- és hőmérséklet-érzékelők adatait egyesítik, hogy pontos információkat szolgáltassanak a dőlésről dinamikus környezetben is (kép: TE Connectivity)

Kilenc az egyben fúzió

Míg sok esetben a 6 szabadságfok elegendő, néhány mozgáskövető rendszer, például drónok, járművek és virtuális valósági eszközök esetében előnyös lehet a 9 szabadságfok használata által nyújtott további információ.

Az ACEINNA OPENIMU300RI modulját 12 V-os és 24 V-os gépjárművekben, építőipari és mezőgazdasági járművekben való használatra tervezték. A giroszkóp és a gyorsulásmérő mellett ez az IMU egy 3 szabadságfokú anizotróp mágneses ellenállású (AMR) magnetométerrel is rendelkezik.

Egy ARM processzor gyűjti az érzékelőadatokat és futtatja az OpenIMU-t, egy nyílt forráskódú protokollcsomagot az IMU, a globális helymeghatározó rendszer (GPS) és az inerciális navigációs rendszer (INS) fejlesztéséhez. A protokollcsomag tartalmaz egy testreszabható Kálmán-szűrőt az érzékelők fúziójához.

A TDK InvenSense szintén kínál egy 9 tengelyes mozgáskövető eszközt. Az ICM-20948 típus üzemi hőmérséklettartománya -40 °C és 85 °C között van, ami alkalmassá teszi különböző feladatokra még igen problémás körülmények között is, például ipari automatizálási és autonóm rendszerekben. Tartalmaz egy mikroelektromechanikus rendszer (MEMS) alapú háromtengelyes giroszkópot, egy MEMS alapú háromtengelyes gyorsulásmérőt és egy MEMS alapú háromtengelyes magnetométert/iránytűt.

A 9 szabdságfokú mozgásérzékelőkön túl az ICM-20948 független analóg-digitális átalakítókkal (ADC) rendelkezik minden érzékelőhöz, valamint jelkondicionáló áramkörökkel és egy digitális mozgásprocesszorral (DMP) (3. ábra).

3. ábra: Ez az integrált érzékelőplatform 9 szabadságfokot támogat egy háromtengelyes giroszkóp és háromtengelyes gyorsulásmérő (balról), valamint egy háromtengelyes magnetométert/iránytűt (jobbra lent) (kép: TDK InvenSense)

Az ICM-20948 néhány jellemzője:

Három független vibrációs MEMS sebességmérő giroszkóp. Ha a giroszkópokat a három tengely bármelyike körül elforgatják, a Coriolis-hatás rezgést okoz, amit egy kapacitív érzékelő érzékel. A mért jelből származó kimenetet úgy dolgozza fel, hogy a szögsebességgel arányos feszültséget állítson elő.

A 3 tengelyes MEMS gyorsulásmérő minden tengelyhez külön tömeg van hozzárendelve. Az egyik tengely mentén történő gyorsulás esetén az annak megfelelő tömegváltozás következik be, amit egy kapacitív érzékelő érzékel. Ha az ICM-20948-t sík felületre helyezzük, akkor az X- és Y-tengelyen 0 g-t, a Z-tengelyen pedig +1 g-t mér.

Hall-érzékelő technológiás magnetométer. Földi mágnesességet érzékel az X-, Y- és Z-tengely mentén. Az érzékelő kimenetét egy érzékelő vezérlő áramkör, egy erősítő, egy 16 bites ADC állítja elő, és az eredő jelet egy aritmetikai feldolgozó áramkör készíti. Mindegyik tengely esetén a teljes skálatartomány ±4900 µT.

Az ICM-20948-ban található DMP egy differenciátor. Néhány jellemzője és előnye:

• A mozgásfeldolgozási algoritmusok számításának a gazdaprocesszorból való kiszervezése minimalizálja az energiafogyasztást, valamint egyszerűsíti az időzítést és a szoftverarchitektúrát. A DMP biztosítja, hogy a mozgásfeldolgozó algoritmusok nagy sebességgel, körülbelül 200 Hz-en futtathatók, hogy alacsony késleltetés mellett pontos eredményeket adjanak. A 200 Hz-es működés ajánlott, még akkor is, ha az alkalmazás sokkal lassabban, például 5 Hz-cel frissül. A DMP-feldolgozási sebességnek a rendszer frissítési sebességétől való függetlenítése stabilabb rendszerteljesítményt biztosít.
• A DMP lehetővé teszi az érzékelők rendkívül alacsony energiafogyasztású üzemidejét és háttérben történő kalibrálását. A kalibrációra az egyes érzékelők és az érzékelőfúziós folyamatok optimális teljesítményének fenntartásához van szükség az eszköz élettartama alatt.
• A DMP egyszerűsíti a szoftverarchitektúrát és felgyorsítja a szoftverfejlesztést, ami gyorsabb piacra jutást eredményez.

Integrált környezeti érzékelők

A környezetfelügyelet alapvető fontosságú az élelmiszer-feldolgozásban és -tárolásban, a vegyi üzemekben, a logisztikai műveletekben, az adatközpontokban, az üvegházi növénytermesztésben, a fűtő-, szellőztető- és légkondicionáló (HVAC) rendszerekben és más területeken. A relatív páratartalom (RH) és a hőmérséklet mérése összevonható a harmatpont kiszámításához.

A Sensirion SHTC3 sorozata digitális páratartalom- és hőmérséklet-érzékelőket tartalmaz, amelyeket akkumulátoros peremhálózati rendszerekhez és a nagy volumenű fogyasztói elektronikában használt áramkörökhöz optimalizáltak. A CMOS-érzékelő platform tartalmaz egy kapacitív páratartalom-érzékelőt, egy tiltottsávhőmérséklet-érzékelőt, analóg és digitális jelfeldolgozást, A/D átalakítót, kalibrációs adatmemóriát és egy gyors üzemmódú I²C kommunikációs interfészt.

A kisméretű 2 x 2 x 0,75 mm-es DFN-tokozásnak köszönhetően alkalmas helyszűkös kialakításokhoz. Az 1,62 V-tól 3,6 V-ig terjedő széles tápfeszültség és a mérésenkénti 1 μJ alatti energiaigény alkalmassá teszi az SHTC3-at akkumulátorral működő mobil vagy vezeték nélküli eszközökhöz (4. ábra). Az SHTC3-TR-10KS jelölésű típus például 10 000 darabos mennyiségben szállítható Digi-Reel, szalag és tekercs vagy vágott szalag formájában. A tervezők az SHTC3 fejlesztőpanelt a rendszerfejlesztés felgyorsítására használhatják.

4. ábra: Ez a környezetfelügyeleti eszköz digitális páratartalom- és hőmérséklet-érzékelőket tartalmaz (kép: Sensirion)

A barometrikus nyomás bevonása

A környezet- és helyfelismerés egyre fontosabbá válik az otthoni automatizálási vezérlők, a HVAC-rendszerek, a fitneszeszközök és a beltéri navigációs rendszerek esetében. Az ilyen rendszerek tervezése során előnyös lehet a Bosch Sensortec által gyártott BME280 integrált környezetérékelő egység használata, amely a páratartalom- és hőmérséklet-érzékelők mellett egy barometrikus nyomásérzékelőt is tartalmaz.

Az érzékelők alacsony zajszintű kialakításúak, nagy pontosságot és felbontást biztosítva. A nyomásérzékelő abszolút barometrikus nyomást mér. A beépített hőmérsékletet úgy optimalizálták, hogy a páratartalom-érzékelővel együttműködve határozza meg a relatív nedvességtartalmat és a harmatpontot, de a barométer hőmérséklet-kompenzációjának biztosítására is szolgál. A tervezési és rendszerintegrációs folyamat felgyorsításához egy fejlesztői kártya is rendelkezésre áll.

MI a környezetérzékeléshez

A Bosch Sensortec egy beágyazott mesterséges intelligenciával rendelkező 4 az 1-ben környezeti érzékelőt is kínál. A BME688 tartalmaz egy gázérzékelőt, valamint nagylinearitású és nagy pontosságú nyomás-, páratartalom- és hőmérséklet-érzékelőket. A mobil és egyéb helyszűkös kialakításokhoz alkalmas, erős és megbízható 3,0 mm x 3,0 mm x 0,9 mm-es tokozásban forgalmazzák (5. ábra).

5. ábra: A Bosch Sensortec BME688 gázérzékelőt, valamint nyomás-, páratartalom- és hőmérséklet-érzékelőt tartalmaz, mindezt megtámogatva integrált mesterséges intelligenciával (kép: Bosch Sensortec)

A gázérzékelő képes az illékony szerves vegyületek (VOC), az illékony kénvegyületek (VSC) és más gázok, például szén-monoxid és hidrogén kimutatására a ppb (parts per billion) tartományban. A BME688 tartalmaz egy gázszkenner funkciót, amely testre szabható az érzékenység, a szelektivitás, az adatátviteli sebesség és az energiafogyasztás tekintetében.

A BME AI-Studio szoftverrel az érzékelő más gázkeverékekhez és alkalmazási feladatokhoz is optimalizálható. A BME688 fejlesztői kártya a BME AI-Studio szoftverrel konfigurálható. A BME AI-Studio támogatja az érzékelők konfigurálását, az adatok elemzését és címkézését, a betanítást és az alkalmazási megoldások optimalizálását gyárak, logisztikai létesítmények, intelligens otthonok és IoT-eszközök számára.

A gázok mintavételezése és a rendszernek a laboratórium helyett a terepen történő betanítása lehetővé teszi a reálisabb algoritmusok tervezését, amelyek jobban teljesítenek és nagyobb megbízhatóságot biztosítanak a tényleges üzemi körülmények között. A BME688 azon képességének kihasználásával, hogy a gázok mellett a páratartalom, a hőmérséklet és a barometrikus nyomás egyidejű mérésére is képes, átfogóbb és pontosabb mesterséges intelligencia modelleket lehet kidolgozni.

Összegzés

Az ipar 4.0, a logisztika és más esetekben az érzékelőfúziós rendszerek kifejlesztése megoldható több különálló érzékelő használatával vagy pedig egy integrált megoldással, amely több érzékelőt tartalmaz egyetlen csomagban. Integrált eszközökkel kisebb méretű és alacsonyabb fogyasztású megoldások készíthetők a mobil és peremhálózati eszközökhöz. Akár különálló érzékelőket, akár integrált érzékelőkészletet használunk, a teljesítmény növelhető a mesterséges intelligencia és a gépi tanulás hozzáadásával.