傳感器融合已成熟

文章出處：新聞資訊責(zé)任編輯：深圳市廣陵達(dá)科技有限公司發(fā)表時(shí)間：2024-11-21 16:41:23

隨著時(shí)間的推移，傳感器已經(jīng)從簡單的模擬和機(jī)械結(jié)構(gòu)演變?yōu)榛谛酒臄?shù)字設(shè)備，這些設(shè)備連接到機(jī)器以監(jiān)控機(jī)器的健康狀況以及環(huán)境條件。同樣，傳感器融合——多種類型的傳感器協(xié)同工作來解決問題——結(jié)合了許多其他技術(shù)的線索，創(chuàng)造了一些非常新穎和令人興奮的東西。

使用計(jì)算設(shè)備整理來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并結(jié)合信息得出結(jié)論的想法至少自 20 世紀(jì) 50 年代以來就已存在。但這是異常困難的。 1960 年左右，幾位數(shù)學(xué)家開發(fā)了一套算法，試圖讓機(jī)器根據(jù)多個(gè)傳感器的輸入得出結(jié)論。這些過濾器還從噪聲或其他來源中刪除了無意義的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，不久之后軍方就決定這項(xiàng)技術(shù)將在他們的應(yīng)用中有用。能夠處理來自多個(gè)來源的輸入并將其與存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較將使軍方能夠更好地跟蹤和識別潛在的空中目標(biāo)，甚至計(jì)算結(jié)果的確定性。有了更好的計(jì)算機(jī)和傳感器，技術(shù)在進(jìn)步，但仍有復(fù)雜且昂貴的問題需要解決。

潛在應(yīng)用

當(dāng)微處理器首次問世時(shí)，人們將其描述為尋找問題的解決方案。同樣的情況也適用于傳感器融合。如果您有能力和智能來監(jiān)控多個(gè)傳感器、實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)并提供簡單的方向或控制動作，那么迄今為止未曾想到的應(yīng)用程序幾乎是無限的。以下示例僅涉及表面：

? 健康監(jiān)測——包括健康運(yùn)動、患者監(jiān)測和研究

? 監(jiān)測老年人——健康監(jiān)測，減輕人員負(fù)擔(dān)

? 汽車、運(yùn)輸系統(tǒng) - 監(jiān)控和控制效率和安全功能

? 公共安全——比簡單的消防和安全系統(tǒng)更準(zhǔn)確地識別潛在的危險(xiǎn)狀況

? 娛樂 - 游戲，包括控制器和虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)

? 天氣——智能天氣預(yù)報(bào)站，不僅可以警告天氣變化，還可以控制系統(tǒng)為暴風(fēng)雨做好準(zhǔn)備（例如，關(guān)閉風(fēng)暴百葉窗、關(guān)閉閥門等）

? HVAC/空氣質(zhì)量——室溫、濕度、空氣質(zhì)量、系統(tǒng)維護(hù)等智能控制。

雖然所有這些類型的功能已經(jīng)以某種形式存在了很多年，但系統(tǒng)觀察多個(gè)傳感器并得出智能結(jié)論，甚至發(fā)起行動的能力是革命性的。

技術(shù)融合幸運(yùn)的是，正如他們在其他電子領(lǐng)域所做的那樣，許多 IC 制造商已經(jīng)承擔(dān)了這項(xiàng)繁重的任務(wù)。借助現(xiàn)成的傳感器融合和傳感器集線器芯片，現(xiàn)在可以有效地連接到各種數(shù)字傳感器以及其他路徑。創(chuàng)建自己的算法的負(fù)擔(dān)已經(jīng)消除。

盡管術(shù)語確實(shí)略有不同，但許多 IC 制造商要么調(diào)整了現(xiàn)有的產(chǎn)品線，要么創(chuàng)建了全新的產(chǎn)品來解決傳感器融合任務(wù)。該處理由專用控制器芯片完成，該芯片可以被識別為 MCU、傳感器集線器或傳感器融合處理器。我們已經(jīng)看到這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于消費(fèi)市場的智能手機(jī)、活動監(jiān)視器和其他設(shè)備。

蘋果、三星等公司的最新一代智能手機(jī)具有強(qiáng)大且多樣化的傳感功能，甚至不需要外部接口。其中包括三軸磁力計(jì)、三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀。這種組合能力通常稱為 9-DoF，即九個(gè)自由度。

大多數(shù)情況下，這些功能在手機(jī)中“始終開啟”。如果這些傳感器的數(shù)據(jù)處理由手機(jī)的中央微控制器管理，電池壽命將大大縮短。相反，高效的專用 MCU 芯片作為傳感器集線器處理數(shù)據(jù)，僅使用一小部分功耗。 NXP ARM M3 系列 MCU 就是一個(gè)例子。據(jù) EETimes 報(bào)道，產(chǎn)品拆解專家 Chipworks 表示，蘋果使用了定制版的 NXP 芯片來監(jiān)控 iPhone 5S 中的傳感器。 “M7 控制各種離散傳感器的功能，包括陀螺儀、加速計(jì)和指南針?！比鞘褂?Atmel 的 Core 8 位 AVR MCU 微控制器承擔(dān)了同樣的任務(wù)。

憑借如此強(qiáng)大的機(jī)載傳感技術(shù)，應(yīng)用程序不斷涌現(xiàn)，它們利用 9-DoF 手機(jī)硬件來提供健康和活動監(jiān)控，或者與 GPS 和外部數(shù)據(jù)配合運(yùn)行，為用戶提供更多信息?，F(xiàn)在，將來自通過藍(lán)牙通信的外部設(shè)備的數(shù)據(jù)添加到已經(jīng)多樣化的傳感器輸入中，功能似乎是無限的。芯片制造商的目標(biāo)是讓工程師能夠設(shè)計(jì)出提供實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)可用于以最小的功耗和最長的電池壽命提供所需的情境感知。除了智能手機(jī)之外，高度優(yōu)化的解決方案還可以解決平板電腦、超級本、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、游戲、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測和可穿戴計(jì)算等應(yīng)用。

開發(fā)板可讓設(shè)計(jì)工程師輕松涉足這項(xiàng)技術(shù)。 Atmel 的 ATAVRSBIN2 就是這樣的一個(gè)例子。 Atmel 已將傳感器與各種產(chǎn)品融合，他們稱之為“完整的傳感器生態(tài)系統(tǒng)”。 Atmel 發(fā)現(xiàn)，同時(shí)分析和融合來自不同傳感器和傳感器類型的數(shù)據(jù)并不是它可以單獨(dú)處理的任務(wù)。為了克服這些復(fù)雜性，該公司與許多領(lǐng)先的傳感器制造商和傳感器融合專家合作，提供完整、易于實(shí)施的傳感器集線器解決方案。

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當(dāng)前的趨勢是將 MCU 與三個(gè)或更多 MEMS 傳感器結(jié)合在一個(gè)封裝中。 STMicroElectronics 的 LIS331EB 就是一個(gè)例子，它將高精度三軸數(shù)字加速度計(jì)與微控制器集成在一個(gè) 3 x 3 x 1 mm 封裝中。該微控制器是超低功耗 ARM Cortex-M0，具有 64 KB 閃存、128 KB RAM、嵌入式定時(shí)器、2 個(gè) I2C（主/從）和 SPI（主/從）。 LIS331EB 還可以在內(nèi)部處理外部傳感器（總共九個(gè)）感測的數(shù)據(jù)，例如陀螺儀、磁力計(jì)和壓力傳感器。作為傳感器中樞，它將所有輸入與 iNEMO 引擎軟件融合在一起。意法半導(dǎo)體的 iNEMO 發(fā)動機(jī)傳感器融合軟件套件應(yīng)用一組自適應(yīng)預(yù)測和過濾算法來理解（或融合）來自多個(gè)傳感器的復(fù)雜信息。

飛思卡爾還提供將 MCU 和傳感器集成在單個(gè)封裝中的設(shè)備產(chǎn)品線。他們的 FXLC95000 Xtrinsic 運(yùn)動傳感平臺集成了 MEMS 加速計(jì)和 32 位 ColdFire MCU。與 STMicroElectronics 設(shè)備類似，F(xiàn)XLC95000 可以同時(shí)管理來自內(nèi)部和外部傳感器的數(shù)據(jù)。飛思卡爾是第一家推出嵌入傳感中樞的 MCU 的公司，該 MCU 還可以針對客戶特定的應(yīng)用和算法進(jìn)行編程。單個(gè)設(shè)備可以管理多達(dá) 16 個(gè)傳感器輸入，從而可以從應(yīng)用處理器上卸載校準(zhǔn)、補(bǔ)償和傳感器功能。它可以與飛思卡爾或第三方驅(qū)動程序配合使用。

融合與云的結(jié)合

雖然相當(dāng)多的功能可以在本地實(shí)現(xiàn)，但與云的交互才是樂趣真正開始的地方。遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)可以由傳感器融合設(shè)備處理并發(fā)送到云端進(jìn)行記錄、進(jìn)一步分析，甚至命令采取行動。

例如，在遠(yuǎn)程位置運(yùn)行的無人值守的泵總是存在一定的故障風(fēng)險(xiǎn)。幾年前，可能已經(jīng)安裝了遠(yuǎn)程傳感器來識別它是否正在運(yùn)行或什至出現(xiàn)故障?，F(xiàn)在，還可以監(jiān)控同一臺泵的振動、廢氣化學(xué)、軸承噪音及其周圍的外部條件。預(yù)定程序可以使傳感器融合控制器關(guān)閉泵，甚至循環(huán)運(yùn)行，直到技術(shù)人員到達(dá)。系統(tǒng)還會提前知道是否需要更換整個(gè)泵或僅更換一個(gè)組件。在這里，傳感器融合解決方案可以消除停機(jī)時(shí)間以及昂貴的緊急服務(wù)呼叫，甚至可以收集數(shù)據(jù)來分析泵的超時(shí)工作情況。同樣的總體思路也適用于監(jiān)控飛行中的飛機(jī)發(fā)動機(jī)，大樓電梯，或者任何機(jī)械。

云的另一個(gè)應(yīng)用是傳感器融合在現(xiàn)場進(jìn)行，而不是在現(xiàn)場。借助可用的開源傳感器融合軟件，可以將單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行處理。

結(jié)論

傳感器融合是一項(xiàng)已經(jīng)成熟的技術(shù)，并且恰逢其時(shí)地利用了傳感器、無線通信和其他技術(shù)的發(fā)展。該技術(shù)一度除了最先進(jìn)的政府實(shí)驗(yàn)室之外其他實(shí)驗(yàn)室都無法實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)在可以使用現(xiàn)成的技術(shù)，其價(jià)格甚至適合許多消費(fèi)產(chǎn)品的 BOM 預(yù)算。

如今，傳感器融合與移動技術(shù)和低成本數(shù)字傳感器的快速發(fā)展密切相關(guān)，有望實(shí)現(xiàn)爆炸性增長。對于設(shè)計(jì)工程師來說，現(xiàn)在是應(yīng)用一些創(chuàng)造性思維并開始實(shí)驗(yàn)的好時(shí)機(jī)！