Anturifuusion käyttäminen Teollisuus 4.0 -tuotantoprosessien ja -logistiikan parantamiseen

Anturifuusio yhdistää tiedot useista antureista tarjotakseen yksityiskohtaisemman ja monitahoisemman käsityksen järjestelmän toiminnasta tai ympäristöstä. Yhden anturiteknologian heikkous voidaan monissa tapauksissa ohittaa lisäämällä (yhdistämällä) tietoa toisella teknologialla toteutetusta anturista. Tekoälyn (AI) ja koneoppimisen (ML) lisääminen voi parantaa anturifuusion tehokkuutta.

Anturifuusion toteuttamisessa on useita haasteita. Voi esimerkiksi olla vaikeaa kehittää tasapainoinen ratkaisu suosimatta yhtä teknologiaa muihin verrattuna. Tämä voi johtaa skaalautumattomuuteen ja heikompaan suorituskykyyn. Useiden anturiteknologioiden integrointi yhteen koteloon on yksi tapa vastata tähän haasteeseen. Anturifuusio ei rajoitu useiden erillisten antureiden käyttöön.

Anturien integroinnin tasosta riippumatta tekoälyn tai koneoppimisen lisääminen voi parantaa suorituskykyä, mutta kouluttaminen voi olla monimutkaista ja viedä paljon aikaa. Tämän sijasta suunnittelijat voivat käyttää itsekouluttavia antureita, jotka sisältävät tekoäly- ja koneoppimistuen.

Tämä artikkeli alkaa tarkastelemalla erillisiä antureita käyttävää anturifuusiototeutusta, jossa on 32-bittinen MCU ja koneoppimisohjelmisto. Sen jälkeen siinä esitellään joukko integroituja anturifuusioratkaisuja ja sovellusesimerkkejä logistiikkapalveluista, palvelinkeskuksista, prosessiautomaatiosta, materiaalinkäsittelystä ja maatalouskoneista.

Lopuksi tarkastellaan integroitua ympäristöanturifuusioratkaisua ja integroitua tekoälyohjelmistoa. Artikkelissa käytetään esimerkkeinä laitteita Renesas Electronics-, Sensirion-, TE Connectivity-, ACEINNA-, Bosch Sensortec- ja TDK InvenSense -yrityksiltä.

Suunnittelijat voivat kokeilla anturifuusiovaihtoehtoja Renesasin referenssipiirilevyn avulla. Kortti perustuu 32-bittiseen mikrokontrolleriin, jossa on 120 MHz:n Arm® Cortex-M4® -ydin, jopa 2 Mt Flash-muistia ja 640 Kt SRAM-muistia sekä lukuisia rajapinta- ja yhteysvaihtoehtoja.

Siihen liittyvä arviointisarja on optimoitu useita antureita ja anturifuusiota varten. Se sisältää ilmanlaatuanturin, valoanturin, lämpötila- ja kosteusanturin, 6 akselin inertiamittausyksikön (IMU), mikrofonin ja BLE-yhdistettävyyden (kuva 1). Referenssisuunnitelma sisältää myös automatisoidun koneoppimisalustan reunalaitteita ja anturifuusiosovelluksia varten.

Kuva 1: IoT-arviointi- ja kehityskortti anturifuusiota varten automatisoidulla ML-kehitysohjelmistolla ja BLE-yhdistettävyydellä. (Kuvan lähde: Renesas Electronics)

Kallistusanturit stabilointia varten

Kallistusanturit ovat erikoistuneita IMU-komponentteja, joita käytetään maatalouskoneiden, maastoajoneuvojen, materiaalinkäsittelyn ja raskaiden rakennuskoneiden kaltaisissa käyttökohteissa. Turvallisuusstandardit edellyttävät toisinaan kallistusantureita turvallisen toimintaympäristön varmistamiseksi. Kallistusantureita voidaan valmistaa useista erillisistä komponenteista, mikä voi olla monimutkaista.

Useimmat kallistusanturimallit perustuvat gyroskooppianturiin, joka mittaa kulmanopeutta eli pyörimisnopeutta tietyn akselin ympäri. Tämä toimii hyvin, jos alusta on liikkeessä, mutta jos se pysähtyy esimerkiksi 20 asteen kulmaan, anturin lähtösignaali laskee nollaan. Lisäksi gyroskoopin mittaustarkkuudessa voi ajan mittaan tapahtua huomattavaa liukumaa, ja kertyvät virheet tuottavat lopulta epätarkkoja tai hyödyttömiä mittaustuloksia.

Gyroskooppien rajoitusten paikkaamiseksi dynaamisiin kallistusanturiratkaisuihin lisätään kiihtyvyysanturi liikkeen mittaamista varten. Se kertoo järjestelmälle, milloin se on pysähtynyt. Tämän ansiosta kallistuskulma voidaan arvioida käyttämällä gyroskoopin viimeistä lähtöarvoa. Palapelin viimeinen pala on lämpötila-anturi, joka kompensoi lämpötilan vaihtelujen vaikutuksia gyroskooppiin ja kiihtyvyysanturiin.

Kallistusantureissa käytetään usein anturifuusioon Kalman-suodattimia. Standardia lineaariseen kvadraattiseen estimaatioon perustuvaa Kalman-suodatinta voidaan käyttää, jos antureita käytetään lineaarisella toiminta-alueella. Kalman-suodattimet voivat tuottaa suhteellisen tarkkoja tila-arvioita myös kallistusantureiden kaltaisissa järjestelmissä, joissa esiintyy luontaisesti epävarmuutta ja kertyviä virheitä.

Epälineaarisella alueella käytettävissä kallistusantureissa voidaan käyttää laajennettua Kalman-suodatinta, joka linearisoi arviot käyttäen senhetkistä keskiarvoa ja kovarianssia.

Esimerkiksi TE Connectivity AXISENSE-G-700- ja ACEINNA MTLT305D -kallistusantureissa on kuuden vapausasteen (6 DoF) liikkeentunnistus, kolme gyroskoopista ja kolme kiihtyvyysanturista, ja niissä käytetään Kalman-suodatustekniikoita anturifuusiota varten (kuva 2).

Kuva 2: AXISENSE-G-700-kallistusanturi yhdistää kiihtyvyys-, kierto- ja lämpötila-antureiden tiedot ja tarjoaa tarkat kallistustiedot dynaamisissa ympäristöissä. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Yhdeksän vapausasteen yhdistäminen

Vaikka kuusi vapausastetta riittääkin monissa tapauksissa, joissakin droonien, ajoneuvojen ja virtuaalitodellisuuslaitteiden kaltaisissa sovelluksissa voi olla hyötyä yhdeksän vapausasteen tarjoamista lisätiedoista.

ACEINNA OPENIMU300RI -moduuli on suunniteltu käytettäväksi 12 V:n ja 24 V:n ajoneuvoissa sekä rakennus- ja maatalouskoneissa. Gyroskoopin ja kiihtyvyysanturin lisäksi tässä IMU:ssa on kolmen vapausasteen anisotrooppinen magnetoresistiivinen (AMR) magnetometri.

ARM-suoritin kerää anturitiedot ja tarjoaa OpenIMU-, avoimen lähdekoodin ohjelmistopinon IMU-, GPS-paikannus- ja inertiasuunnistusjärjestelmän (INS) toteutuksen. Pinossa on mukautettava Kalman-suodatin anturifuusiota varten.

Myös TDK InvenSense tarjoaa 9 akselin liikkeenseurantalaitteen. ICM-20948 tarjoaa käyttölämpötila-alueen –40...+85 °C, joten se soveltuu monenlaisiin sovelluksiin haastavissa ympäristöissä, kuten teollisuusautomaatiossa ja autonomisissa järjestelmissä. Se sisältää MEMS-pohjaisen kolmiakselisen gyroskoopin, MEMS-pohjaisen kolmiakselisen kiihtyvyysanturin ja MEMS-pohjaisen kolmiakselisen magnetometrin/kompassin.

Yhdeksän vapausasteen liiketunnistimien lisäksi ICM-20948 sisältää erilliset analogi-digitaalimuuntimet (ADC) kullekin anturille, signaalinkäsittelypiirit ja digitaalisen liikeprosessorin (DMP) (kuva 3).

Kuva 3: tämä integroitu anturialusta tukee yhdeksää vapausastetta käyttämällä kolmiakselista gyroskooppia, kolmiakselista kiihtyvyysanturia (vasemmalla) sekä kolmiakselista magnetometriä/kompassia (alaoikealla). (Kuvan lähde: TDK InvenSense.)

ICM-20948-anturin teknisiä tietoja ovat mm.:

Kolme itsenäistä värähtelyn tunnistavaa MEMS-gyroskooppia kulmanopeudella. Jos gyroskoopit pyörivät jonkin kolmen akselinsa ympäri, coriolisvoima aiheuttaa värähtelyä, jonka kapasitiivinen ilmaisin havaitsee. Ilmaisimen lähtösignaali prosessoidaan tuottamaan jännite, joka on verrannollinen kulmanopeuteen.

Kolmiakselisen MEMS-kiihtyvyysanturin jokaisella akselilla on oma massansa. Akselin suuntainen kiihtyvyys siirtää vastaavaa massaa, jonka kapasitiivinen ilmaisin havaitsee. Kun ICM-20948 asetetaan tasaiselle alustalle, se mittaa 0 g X- ja Y-akseleilla ja +1 g Z-akselilla.

Magnetometri perustuu Hall-anturiteknologiaan. Se havaitsee maanpäällisen magnetismin X-, Y- ja Z-akseleilla. Anturin lähtö generoidaan anturin ohjainpiirillä, vahvistimella, 16-bittisellä AD-muuntimella ja aritmetiikkapiirillä, joka käsittelee tuloksena olevan signaalin. Kunkin akselin koko mitta-alue on ±4900 μT.

ICM-20948-anturin DMP on derivointipiiri. Sen ominaisuuksia ja etuja ovat mm.:

• Liikkeenkäsittelyalgoritmien siirtäminen pois isäntäsuorittimesta minimoi virrankulutuksen ja yksinkertaistaa ajoitusta ja ohjelmistoarkkitehtuuria. DMP varmistaa, että liikkeenkäsittelyalgoritmeja voidaan suorittaa suurella nopeudella (noin 200 Hz). Tämä mahdollistaa tarkat tulokset alhaisella viiveellä. Laitetta suositellaan käytettäväksi taajuudella 200 Hz´, vaikka sovellus tekisikin päivityksiä paljon hitaammin, kuten taajuudella 5 Hz. DMP:n prosessointinopeuden erottaminen sovelluksen päivitysnopeudesta takaa robustimman järjestelmän suorituskyvyn.
• DMP mahdollistaa erittäin alhaisen virrankulutuksen ja anturien taustakalibroinnin. Kalibrointia tarvitaan yksittäisten antureiden ja anturifuusioprosessien optimaalisen suorituskyvyn ylläpitämiseen laitteen koko käyttöiän ajan.
• DMP yksinkertaistaa ohjelmistoarkkitehtuuria ja nopeuttaa ohjelmistokehitystä, mikä nopeuttaa markkinoille saattamista.

Integroidut ympäristöanturit

Ympäristötekijöiden valvonta on välttämätöntä elintarvikkeiden jalostus- ja varastointijärjestelmissä, kemiantehtailla, logistiikkatoiminnoissa, palvelinkeskuksissa, kasvihuoneissa, lämmityksessä, ilmanvaihdossa ja ilmastoinnissa sekä muilla alueilla. Suhteellisen kosteuden (RH) ja lämpötilan mittaukset voidaan yhdistää kastepisteen laskemiseksi.

Sensirionin SHTC3-sarja on digitaalinen kosteus- ja lämpötila-anturi, joka on optimoitu paristokäyttöisiin reunasovelluksiin ja suuren volyymin kuluttajaelektroniikkaan. CMOS-anturialustassa on kapasitiivinen kosteusanturi, energiavyöhön perustuva lämpötila-anturi, analoginen ja digitaalinen signaalinkäsittely, A/D-muunnin, kalibrointitietomuisti ja fast-mode-I²C-tiedonsiirtoväylä.

Pieni 2 x 2 x 0,75 mm:n DFN-kotelointi soveltuu käyttökohteisiin, joissa tila on rajallinen. Laaja 1,62–3,6 V:n syöttöjännite ja alle 1 μJ:n energiabudjetti mittausta kohden tekevät SHTC3:sta sopivan paristokäyttöisiin mobiililaitteisiin tai langattomiin laitteisiin (kuva 4). Esimerkiksi osanumero SHTC3-TR-10KS toimitetaan 10 000 yksikön erissä muodossa Digi-Reel, kelanauha tai leikattu nauha. Suunnittelijat voivat käyttää SHTC3-arviointikorttia järjestelmän kehittämisen nopeuttamiseksi.

Kuva 4: tämä ympäristönvalvontakomponentti sisältää digitaaliset kosteus- ja lämpötila-anturit. (Kuvan lähde: Sensirion)

Ilmanpainemittauksen lisääminen

Kontekstin ja sijainnin tunteminen on yhä tärkeämpää kotiautomaation ohjausjärjestelmissä, ilmastointijärjestelmissä, kuntoilulaitteissa ja sisänavigointisovelluksissa. Näiden järjestelmien suunnittelussa voidaan käyttää Bosch Sensortecin integroitua BME280-ympäristöyksikköä, jossa on ilmanpaineanturi kosteus- ja lämpötila-antureiden lisäksi.

Antureiden kohina on alhainen, minkä ansiosta ne tarjoavat korkean tarkkuuden ja resoluution. Paineanturi mittaa absoluuttista ilmanpainetta. Integroitu lämpötila-anturi on optimoitu toimimaan yhdessä kosteusanturin kanssa ilmankosteuden ja kastepisteen määrittämiseksi. Sitä käytetään myös barometrin lämpötilakompensointiin. Saatavilla on kehityskortti, joka nopeuttaa suunnittelu- ja järjestelmäintegraatioprosessia.

Ympäristöntunnistukseen tarkoitettu tekoäly

Bosch Sensortec tarjoaa myös 4-in-1-ympäristöanturin, joka sisältää sulautetun tekoälyn. BME688 sisältää kaasuanturin sekä erittäin lineaariset ja tarkat paine-, kosteus- ja lämpötila-anturit. Se toimitetaan lujatekoisessa 3,0 mm x 3,0 x 0,9 mm:n kotelossa, joka sopii mobiileihin ja muihin tilaltaan rajoitettuihin käyttökohteisiin (kuva 5).

Kuva 5: Bosch Sensortecin BME688 sisältää kaasuanturin sekä paine-, kosteus- ja lämpötila-anturit, joita tuetaan integroidulla tekoälyllä. (Kuvan lähde: Bosch Sensortec.)

Kaasuanturi voi havaita haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC), haihtuvia rikkiyhdisteitä (VSC) ja muita hiilimonoksidin ja vedyn kaltaisia kaasuja miljardisosien (ppb) tarkkuudella. BME688 sisältää kaasuskanneritoiminnon, jonka herkkyyttä, selektiivisyyttä, tiedonsiirtonopeutta ja virrankulutusta voidaan säätää.

BME AI-Studio -ohjelmiston avulla kaasuanturi voidaan myös optimoida muita kaasuseoksia ja muita sovelluksia varten. BME688-arviointikorttia voidaan konfiguroida BME AI-Studio -ohjelmistolla. BME AI-Studio tukee anturien konfigurointia, tietojen analysointia ja merkintää, kouluttamista sekä tehtaiden, logistiikkapalveluiden, älykotien ja IoT-laitteiden sovellusratkaisujen optimointia.

Kaasujen näytteistäminen ja järjestelmän kouluttaminen kentällä laboratorion sijasta mahdollistavat realistisemmat algoritmit, jotka toimivat paremmin ja parantavat luotettavuutta todellisissa käyttöolosuhteissa. Käyttämällä BME688:n kykyä mitata samanaikaisesti kosteutta, lämpötilaa ja ilmanpainetta kaasujen lisäksi voidaan kehittää kattavampia ja tarkempia tekoälymalleja.

Yhteenveto

Anturifuusiojärjestelmien kohdeympäristönä voi olla Teollisuus 4.0, logistiikka tai muut sovellukset ja niitä voidaan kehittää käyttämällä useita erillisiä antureita tai integroitua ratkaisua, joka sisältää useita antureita yhdessä paketissa. Integroiduilla komponenteilla voidaan toteuttaa pienempiä ja vähävirtaisempia ratkaisuja mobiili- ja reunasovelluksiin. Riippumatta siitä, käytetäänkö erillisiä antureita tai integroitua anturipakettia, suorituskykyä voidaan parantaa lisäämällä siihen tekoäly ja koneoppiminen.