如何利用傳感器融合改進工業(yè) 4.0 生產(chǎn)的流程和物流

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

傳感器融合將來自多個傳感器的數(shù)據(jù)匯集在一起，讓用戶更詳細、更細致地了解系統(tǒng)運行情況或環(huán)境。許多情況下，某種傳感器技術(shù)的弱點可以通過添加（融合）第二種傳感器技術(shù)的信息來克服。添加人工智能 (AI) 和機器學(xué)習(xí) (ML) 功能可以增強傳感器融合的能力。

在實施傳感器融合時，需要解決幾個難題。例如，制定一種平衡的解決方案，而不是“偏愛”其中一種技術(shù)，這樣會很難實現(xiàn)。這樣做的結(jié)果可能導(dǎo)致缺乏可擴展性和性能降低。將多種傳感器技術(shù)集成到單一封裝中，是應(yīng)對這一難題的方法之一。傳感器融合不限于使用多個離散傳感器。

無論傳感器的集成程度如何，添加 AI 或 ML 都能提高性能，但訓(xùn)練過程可能會很復(fù)雜且非常耗時。鑒于此，設(shè)計人員可以轉(zhuǎn)而使用具有嵌入式 AI 和 ML 功能的自訓(xùn)練傳感器。

本文首先介紹通過離散傳感器、32 位 MCU 和 ML 軟件實現(xiàn)的傳感器融合。然后介紹一些集成傳感器融合解決方案以及在物流設(shè)施、數(shù)據(jù)中心、過程自動化、材料處理和農(nóng)業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用實例。

最后，介紹一種集成了 AI 軟件的集成環(huán)境傳感器融合方案。在整個討論過程中，將以來自 [Renesas Electronics] 、[Sensirion] 、[TE Connectivity] 、[ACEINNA] 、[Bosch Sensortec] 和 [TDK InvenSense] 的器件為例展開討論。

設(shè)計人員可使用 Renesas 的 [參考設(shè)計板] 探索傳感器的各種融合選項。該設(shè)計板基于 [32 位 MCU] ，提供多種接口和連接選擇。其中，MCU 的內(nèi)核為 120-MHz [Arm?] Cortex?-M4，擁有高達 2 MB 的代碼閃存和 640 KB SRAM。

相關(guān)的[評估套件]針對多傳感器和傳感器融合設(shè)計進行了優(yōu)化。該套件包括空氣質(zhì)量傳感器、光傳感器、溫度濕度傳感器、6 軸慣性測量裝置 (IMU)、麥克風(fēng)和低功耗藍牙 (BLE) 連接功能（圖 1）。該參考設(shè)計還包括一個用于邊緣設(shè)備和傳感器融合應(yīng)用的自動 ML 平臺。

圖 1：帶有自動 ML 開發(fā)軟件和 BLE 連接功能的物聯(lián)網(wǎng)傳感器融合評估和開發(fā)板。（圖片來源：Renesas Electronics）

穩(wěn)定傾斜傳感器

傾斜傳感器是特種 IMU，用于包括農(nóng)業(yè)機械、越野車、材料搬運和重型建筑設(shè)備在內(nèi)的各種應(yīng)用。安全標(biāo)準(zhǔn)有時要求使用傾斜傳感器，以確保安全的操作環(huán)境。傾斜傳感器可由多個分立器件組裝而成，不過這可能比較復(fù)雜。

大多數(shù)傾斜傳感器設(shè)計的核心是陀螺儀傳感器 (gyro)。這種傳感器用于測量繞軸的角速度或旋轉(zhuǎn)速率。如果平臺處于運動狀態(tài)，則表示狀態(tài)很好，但如果平臺停止運動，例如傾斜 20 度，則傳感器的輸出歸零。此外，隨著時間的推移，陀螺儀會出現(xiàn)明顯的漂移且誤差不斷累積，最終導(dǎo)致測量結(jié)果不再準(zhǔn)確或有用。

為了解決陀螺儀的局限性，動態(tài)傾斜傳感器解決方案增加了一個加速度計來測量運動。這就可以告訴系統(tǒng)何時停止運動，并使其能夠使用陀螺儀的最后輸出來估算傾斜角度。最后一塊拼圖是溫度傳感器。溫度傳感器可以補償溫度不斷變化對陀螺儀和加速度計的影響。

Kalman 濾波器通常用于傾斜傳感器的傳感器融合。如果傳感器在線性范圍內(nèi)運行，則可以使用基于線性二次估計的標(biāo)準(zhǔn) Kalman 濾波器。Kalman 濾波器可以產(chǎn)生相對精確的狀態(tài)估計值，即使是像傾斜傳感器這樣具有固有不確定性和累積誤差的系統(tǒng)也不例外。

擴展 Kalman 濾波器能利用當(dāng)前平均值和協(xié)方差對估計值進行線性化處理，進而有益于在非線性區(qū)域工作的傾斜傳感器。

傾斜傳感器（如 TE Connectivity 的 [AXISENSE-G-700] 和 ACEINNA 的 [MTLT305D] ）具有六個自由度 (6 DoF) 運動感測功能，其中三個來自陀螺儀，三個來自加速度計，并采用 Kalman 濾波技術(shù)進行傳感器融合（圖 2）。

圖 2：AXISENSE-G-700 傾斜傳感器融合了來自加速度傳感器、旋轉(zhuǎn)傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)，可在動態(tài)環(huán)境中提供準(zhǔn)確的傾斜信息。（圖片來源：TE Connectivity）

融合九合一

雖然在許多情況下 6 DoF 就足夠了，但對于一些運動跟蹤應(yīng)用，如無人機、車輛和虛擬現(xiàn)實設(shè)備來說，可以獲得更多信息的 9 DoF 會更有用。

ACEINNA 的 [OPENIMU300RI] 模塊設(shè)專用于 12 V 和 24 V 汽車、建筑和農(nóng)用車輛應(yīng)用。除了陀螺儀和加速度計外，該 IMU 還有一個 3 DoF 各向異性磁阻 (AMR) 磁力計。

ARM 處理器收集傳感器數(shù)據(jù)，并執(zhí)行 OpenIMU，這是一個用于 IMU、全球定位系統(tǒng) (GPS) 和慣性導(dǎo)航系統(tǒng) (INS) 開發(fā)的開源協(xié)議棧。該協(xié)議棧包括一個用于傳感器融合的可定制 Kalman 濾波器。

TDK InvenSense 還提供 [9 軸運動跟蹤器件] 。[ICM-20948] 型器件的工作溫度為 -40°C 至 85°C，適合工業(yè)自動化和自主系統(tǒng)等苛刻環(huán)境中的各種應(yīng)用。該器件括一個基于微機電系統(tǒng) (MEMS) 的三軸陀螺儀、一個基于微機電系統(tǒng) (MEMS) 的三軸加速計和一個基于微機電系統(tǒng) (MEMS) 的三軸磁力計/羅盤。

除了 9 DoF 運動傳感器外，ICM-20948 還為每個傳感器配備了獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、信號調(diào)節(jié)電路和數(shù)字式運動處理器 (DMP)（圖 3）。

*圖 3：該集成傳感器平臺使用 *三軸陀螺儀和三軸加速度計（左）以及三軸磁力計/羅盤（右下）來支持 9 DoF 功能。（圖片來源：TDK InvenSense）

ICM-20948 的一些細節(jié)包括：

三個獨立的振動 MEMS 速率陀螺儀。如果陀螺儀圍繞三個軸中的任何一個軸旋轉(zhuǎn)，Coriolis 效應(yīng)就會造成可被容性傳感器檢測到的振動。傳感器的輸出經(jīng)處理后產(chǎn)生與角速度成正比的電壓。

3 軸 MEMS 加速計的每個軸都有獨立的質(zhì)量。沿某一軸線的加速度會使相應(yīng)的質(zhì)量發(fā)生位移，電容式傳感器會檢測到這一位移。將 ICM-20948 放置在平面上時，它在 X 軸和 Y 軸上的測量值為 0g，在 Z 軸上的測量值為 +1g。

磁力計采用霍爾傳感器技術(shù)。磁力計可探測 X、Y 和 Z 軸向的地磁。傳感器輸出由一個傳感器驅(qū)動電路、一個放大器、一個 16 位 ADC 和一個用于處理所得信號的運算電路產(chǎn)生。每個軸的滿量程范圍均為 ±4900 μT。

ICM-20948 的 DMP 是微分器。該器件的部分功能和優(yōu)點包括：

• 將運動處理算法的計算任務(wù)從主處理器卸除，最大限度地降低功耗，簡化時序和軟件架構(gòu)。DMP 可確保運動處理算法在 200 Hz 左右的高速下運行，從而以較低的延遲提供精確的結(jié)果。建議運行頻率采用 200 Hz，即使應(yīng)用的更新速度非常低，如 5 Hz。將 DMP 處理速度與應(yīng)用升級速度分離，可確保更穩(wěn)定的系統(tǒng)性能。
• DMP 可實現(xiàn)長時間超低功耗運行和傳感器的背景校準(zhǔn)功能。為使單個傳感器和傳感器融合過程在器件的整個生命周期內(nèi)都保持最佳性能，需要進行校準(zhǔn)。
• DMP 簡化了軟件架構(gòu)，加快了軟件開發(fā)速度，從而縮短了產(chǎn)品上市時間。

集成環(huán)境傳感器

環(huán)境監(jiān)測在食品加工和儲存、化工廠、物流操作、數(shù)據(jù)中心、溫室作物生產(chǎn)、供暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)以及其他領(lǐng)域都至關(guān)重要。相對濕度 (RH) 和溫度測量值可用來合并計算露點。

Sensirion 的 [SHTC3 系列] 是數(shù)字式濕度和溫度傳感器，專為電池供電型邊緣應(yīng)用和大量消費電子產(chǎn)品進行了優(yōu)化CMOS 傳感器平臺包括一個電容式濕度傳感器、一個帶隙溫度傳感器、模擬和數(shù)字信號處理、A/D 轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲器和一個 I2C 快速模式通信接口。

這種小型 2 x 2 x 0.75 mm DFN 封裝有益于空間受限的應(yīng)用。1.62 V 至 3.6 V 寬電源電壓范圍以及每次測量低于 1 μJ 的能量預(yù)算，使 SHTC3 適合電池供電型移動或無線設(shè)備（圖 4）。例如，編號為 [SHTC3-TR-10KS] 的器件可通過 Digi-Reel、卷帶或切割帶包裝形式供貨，起訂量為 10,000 件。設(shè)計人員可以使用 [SHTC3 評估板] 加快系統(tǒng)開發(fā)。

圖 4：該環(huán)境監(jiān)控器件包括數(shù)字式濕度和溫度傳感器。（圖片來源：Sensirion）

增加氣壓

在家庭自動化控制、暖通空調(diào)系統(tǒng)、健身器材和室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用中，情境和位置感知能力越來越重要。Bosch Sensortec 的 [BME280] 集成環(huán)境單元增加了氣壓傳感器以及濕度和溫度傳感器，有助于這些系統(tǒng)設(shè)計。

傳感器采用具有高精度和高分辨率的低噪聲設(shè)計。壓力傳感器測量絕對氣壓。集成溫度傳感器經(jīng)過優(yōu)化，可與濕度傳感器配合使用，以確定相對濕度和露點。該器件還可用于為氣壓計提供溫度補償。[開發(fā)板] 可加快設(shè)計和系統(tǒng)集成。

用于環(huán)境感測的人工智能

Bosch Sensortec 還提供具有嵌入式人工智能的 [4 合 1 環(huán)境傳感器] 。[BME688] 包括一個氣體傳感器以及高線性度、高精度的壓力、濕度和溫度傳感器。該器件采用 3.0 mm x 3.0 mm x 0.9 mm 的堅固耐用型封裝，適合移動和其他空間受限型應(yīng)用（圖 5）。

氣體傳感器可以檢測十億分之一 (ppb) 范圍內(nèi)的揮發(fā)性有機化合物 (VOC)、揮發(fā)性硫化合物 (VSC) 和其他氣體（如一氧化碳和氫氣）。BME688 包括氣體掃描儀功能，可根據(jù)靈敏度、選擇性、數(shù)據(jù)速率和功耗進行定制。

[BME AI-Studio] 軟件還可針對其他氣體混合物和應(yīng)用對氣體傳感器進行優(yōu)化。[BME688 評估板] 可通過 BME AI-Studio 軟件進行配置。BME AI-Studio 支持傳感器配置、數(shù)據(jù)分析，以及工廠、物流設(shè)施、智能家居和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用解決方案的標(biāo)記、培訓(xùn)和優(yōu)化。

在現(xiàn)場而不是實驗室采集氣體樣本并對系統(tǒng)進行培訓(xùn)，可以設(shè)計出更符合實際情況的算法，在實際運行條件下性能更好，可靠性更高。通過利用 BME688 同時測量濕度、溫度和氣壓以及氣體的能力，可以開發(fā)出更全面、更準(zhǔn)確的人工智能模型。

結(jié)束語

針對工業(yè) 4.0、物流和其他應(yīng)用開發(fā)傳感器融合系統(tǒng)時，可以使用一系列離散傳感器，或者使用將多個傳感器集成在一個封裝中的集成解決方案。集成器件可為移動和邊緣應(yīng)用提供體積更小、功耗更低的解決方案。無論是使用分立傳感器還是集成傳感器套件，都可以通過添加 AI 和 ML 來提高性能。

審核編輯 黃宇