Come utilizzare la fusione sensoriale per migliorare i processi produttivi e la logistica dell'Impresa 4.0

La fusione sensoriale combina i dati provenienti da più sensori per fornire una comprensione più dettagliata del funzionamento del sistema o dell'ambiente. In molti casi, le criticità di una tecnologia di sensori possono essere ovviate aggiungendo (fondendo) le informazioni raccolte da un'altra tecnologia sensoriale. L'aggiunta dell'intelligenza artificiale (IA) e dell'apprendimento automatico (ML) può aumentare la potenza della fusione sensoriale.

Le sfide da affrontare nell'implementazione della fusione sensoriale sono molteplici. Ad esempio, può essere difficile sviluppare una soluzione equilibrata e non "favorire" una delle tecnologie rispetto alle altre. Ciò può comportare una mancanza di scalabilità e una riduzione delle prestazioni. Un modo per affrontare questa sfida è quello di integrare più tecnologie sensoriali. La fusione sensoriale non si limita all'uso di più sensori discreti.

Indipendentemente dal livello di integrazione dei sensori, l'aggiunta di IA o ML può migliorare le prestazioni, ma la formazione può essere complessa e richiedere molto tempo. Invece, i progettisti possono rivolgersi a sensori "autodidattici" con funzionalità IA e ML embedded.

Questo articolo inizia esaminando un'implementazione della fusione sensoriale che utilizza sensori discreti, un MCU a 32 bit e un software ML. Presenta quindi una serie di soluzioni integrate di fusione sensoriale ed esempi applicativi in strutture logistiche, data center, automazione di processo, movimentazione di materiali e attrezzature agricole.

Si conclude con l'analisi di una soluzione integrata di fusione sensoriale ambientale con software IA integrato. Nel corso della discussione saranno presentati dispositivi esemplari di Renesas Electronics, Sensirion, TE Connectivity, ACEINNA, Bosch Sensortec e TDK InvenSense.

I progettisti possono esplorare le opzioni di fusione sensoriale utilizzando una scheda di progettazione di riferimento di Renesas. La scheda si basa su un MCU a 32 bit con core ARM® Cortex®-M4 a 120 MHz, memoria Flash fino a 2 MB di codice e 640 kB di SRAM, oltre a numerose opzioni di interfaccia e connettività.

Il relativo kit di valutazione è ottimizzato per progetti multi-sensore e fusione sensoriale. Include un sensore di qualità dell'aria, un sensore di luce, un sensore di temperatura e umidità, un'unità di misurazione inerziale (IMU) a 6 assi, un microfono e connettività Bluetooth Low Energy (BLE) (Figura 1). Il progetto di riferimento comprende anche una piattaforma ML automatizzata per dispositivi edge e applicazioni di fusione sensoriale.

Figura 1: Scheda di valutazione e sviluppo per fusione sensoriale IoT con software di sviluppo ML automatizzato e connettività BLE. (Immagine per gentile concessione di Renesas Electronics)

Sensori di inclinazione stabilizzanti

I sensori di inclinazione sono IMU specializzati utilizzati in varie applicazioni, tra cui macchine agricole, veicoli fuoristrada, movimentazione di materiali e macchine edili pesanti. Gli standard di sicurezza talvolta richiedono l'impiego di sensori di inclinazione per la sicurezza degli ambienti operativi. I sensori di inclinazione possono essere assemblati utilizzando diversi dispositivi discreti, il che può essere complicato.

Al centro della maggior parte dei sensori di inclinazione vi è un sensore giroscopico che misura la velocità angolare o la velocità di rotazione attorno a un asse. Ciò è ideale se la piattaforma è in movimento, ma se cessa di muoversi, ad esempio se è inclinata di 20 gradi, l'uscita del sensore si azzera. Inoltre, un giroscopio può subire una deriva significativa nel corso del tempo, con l'accumulo di errori che finiscono per produrre una misurazione inaccurata o inutile.

Per ovviare ai limiti dei giroscopi, le soluzioni di sensori di inclinazione dinamica aggiungono un accelerometro per misurare il movimento. In questo modo il sistema può capire quando ha smesso di muoversi e utilizzare l'ultima uscita del giroscopio per stimare l'angolo di inclinazione. Un ultimo tassello del puzzle è un sensore di temperatura che compensa gli effetti delle variazioni termiche sul giroscopio e sull'accelerometro.

I filtri di Kalman sono spesso utilizzati per la fusione sensoriale nei sensori di inclinazione. È possibile utilizzare un filtro di Kalman standard basato su una stima lineare quadratica se i sensori sono usati in una regione lineare di prestazioni. I filtri di Kalman possono produrre stime di stato relativamente accurate anche in sistemi come i sensori di inclinazione con incertezza intrinseca ed errori di accumulo.

I sensori di inclinazione in una regione non lineare possono beneficiare di un filtro di Kalman esteso che linearizza le stime utilizzando il valore medio e la covarianza correnti.

I sensori di inclinazione come AXISENSE-G-700 di TE Connectivity e MTLT305D di ACEINNA hanno un rilevamento del movimento a sei gradi di libertà (6 DoF), tre dal giroscopio e tre dall'accelerometro e impiegano tecniche di filtraggio Kalman per la fusione sensoriale (Figura 2).

Figura 2: Il sensore di inclinazione AXISENSE-G-700 fonde i dati dei sensori di accelerazione, rotazione e temperatura per fornire informazioni precise sull'inclinazione in ambienti dinamici. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Fusione 9-in-1

Sebbene 6 DoF siano sufficienti in molti casi, alcune applicazioni di tracciamento del movimento come droni, veicoli e dispositivi di realtà virtuale possono beneficiare delle informazioni aggiuntive fornite dall'uso di 9 DoF.

Il modulo OPENIMU300RI di ACEINNA è progettato per l'uso in veicoli a 12 V e 24 V per i settori automotive, edile e agricolo. Oltre al giroscopio e all'accelerometro, questa IMU dispone di un magnetometro magnetoresistivo anisotropo (AMR) a 3 DoF.

Un processore ARM raccoglie i dati dei sensori e implementa OpenIMU, uno stack open-source per lo sviluppo di IMU, sistema di posizionamento globale (GPS) e sistema di navigazione inerziale (INS). Lo stack include un filtro di Kalman personalizzabile per la fusione sensoriale.

TDK InvenSense offre anche un dispositivo di rilevamento del movimento a 9 assi. Il modello ICM-20948 ha un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 °C e 85 °C, che lo rende adatto a varie applicazioni in ambienti difficili come l'automazione industriale e i sistemi autonomi. Include un giroscopio triassiale basato su un sistema microelettromeccanico (MEMS), un accelerometro triassiale basato su MEMS e un magnetometro/bussola triassiale basato su MEMS.

Oltre ai sensori di movimento a 9 DoF, ICM-20948 è dotato di convertitori analogico/digitale (ADC) indipendenti per ciascun sensore, circuiti di condizionamento del segnale e un processore di movimento digitale (DMP) (Figura 3).

Figura 3: Questa piattaforma di sensori integrata supporta 9 DoF utilizzando un giroscopio triassiale e un accelerometro triassiale (a sinistra) più un magnetometro/bussola triassiale (in basso a destra). (Immagine per gentile concessione di TDK InvenSense)

Alcuni dettagli di ICM-20948 includono:

Tre giroscopi vibrazionali MEMS indipendenti. Se i giroscopi vengono ruotati su uno qualsiasi dei tre assi, l'effetto di Coriolis provoca una vibrazione rilevata da un punto di attacco capacitivo. L'uscita del punto di attacco viene elaborata per produrre una tensione proporzionale alla velocità angolare.

L'accelerometro MEMS a 3 assi ha masse separate per ogni asse. L'accelerazione lungo un asse sposta la massa corrispondente, che viene rilevata da un punto di attacco capacitivo. Quando ICM-20948 viene posizionato su una superficie piana, misurerà 0g sugli assi X e Y e +1g sull'asse Z.

Il magnetometro si basa sulla tecnologia dei sensori Hall. Rileva il magnetismo terrestre sugli assi X, Y e Z. L'uscita del sensore viene generata con un circuito di pilotaggio, un amplificatore, un ADC a 16 bit e un circuito aritmetico per l'elaborazione del segnale risultante. Ogni asse ha un intervallo di fondo scala di ±4900 µT.

Il processore di movimento digitale (DMP) ICM-20948 è un elemento di differenziazione. Alcune delle sue caratteristiche e dei suoi vantaggi includono:

• Alleggerisce il calcolo degli algoritmi di elaborazione del movimento dal processore host per ridurre al minimo il consumo energetico e semplificare la tempistica e l'architettura del software. Il DMP garantisce che gli algoritmi di elaborazione del movimento possano essere eseguiti a una velocità elevata, circa 200 Hz, per fornire risultati accurati con una bassa latenza. Si raccomanda il funzionamento a 200 Hz, anche se l'applicazione si aggiorna molto più lentamente, ad esempio a 5 Hz. Il disaccoppiamento della velocità di elaborazione del DMP dalla velocità di aggiornamento dell'applicazione garantisce prestazioni di sistema più robuste.
• Il DMP offre un tempo di funzionamento a bassissima potenza e la calibrazione in background dei sensori. La calibrazione è necessaria per mantenere prestazioni ottimali dei singoli sensori e dei processi di fusione sensoriale per tutta la vita utile del dispositivo.
• Il DMP semplifica l'architettura del software e ne accelera lo sviluppo, accelerando il time-to-market.

Sensori ambientali integrati

Il monitoraggio ambientale è essenziale nella lavorazione e nello stoccaggio degli alimenti, negli impianti chimici, nelle operazioni logistiche, nei data center, nella coltivazione in serra, nei sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC) e in altri settori. Le misurazioni di umidità relativa (RH) e di temperatura possono essere fuse per calcolare il punto di rugiada.

La serie SHTC3 di Sensirion è costituita da sensori digitali di umidità e temperatura ottimizzati per applicazioni a batteria in ambito edge e nell'elettronica consumer ad alto volume. La piattaforma del sensore CMOS comprende un sensore di umidità capacitivo, un sensore di temperatura a bandgap, elaborazione dei segnali digitali e analogici, un convertitore A/D, una memoria per i dati di calibrazione e un'interfaccia di comunicazione I²C Fast-mode.

Il piccolo contenitore DFN da 2 x 2 x 0,75 mm supporta le applicazioni con vincoli di spazio. L'ampio intervallo della tensione di alimentazione da 1,62 V a 3,6 V e un assorbimento energetico inferiore a 1 μJ per misurazione rendono la serie SHTC3 adatta a dispositivi mobili o wireless alimentati a batteria (Figura 4). Ad esempio, il modello SHTC3-TR-10KS viene fornito in quantità di 10.000 pezzi su Digi-Reel, nastrato in bobina o su nastro pre-tagliato. I progettisti possono utilizzare la scheda di valutazione SHTC3 per accelerare lo sviluppo del sistema.

Figura 4: Questo dispositivo di monitoraggio ambientale comprende sensori digitali di umidità e temperatura. (Immagine per gentile concessione di Sensirion)

Aggiunta di pressione barometrica

Il contesto e la location awareness sono sempre più importanti nei controlli domotici, nei sistemi HVAC, nelle attrezzature per il fitness e nelle applicazioni di navigazione interna. I progetti di questi sistemi possono trarre vantaggio dall'utilizzo dell'unità ambientale integrata BME280 di Bosch Sensortec, che aggiunge un sensore di pressione barometrica ai sensori di umidità e temperatura.

I sensori sono progettati per un basso rumore e garantiscono un'elevata precisione e risoluzione. Il sensore di pressione misura la pressione barometrica assoluta. La temperatura integrata è ottimizzata per lavorare con il sensore di umidità per determinare l'umidità relativa e il punto di rugiada. Consente anche di fornire la compensazione della temperatura al barometro. Per accelerare la progettazione e l'integrazione del sistema è disponibile una scheda di sviluppo.

IA per il rilevamento ambientale

Bosch Sensortec offre anche un sensore ambientale 4-in-1 con IA integrata. BME688 include un sensore di gas e sensori di pressione, umidità e temperatura ad alta linearità e precisione. Viene fornito in un robusto contenitore di 3,0 x 3,0 x 0,9 mm, adatto per applicazioni mobili e altre applicazioni con vincoli di spazio (Figura 5).

Figura 5: BME688 di Bosch Sensortec comprende un sensore di gas, oltre a sensori di pressione, umidità e temperatura, tutti supportati da IA integrata. (Immagine per gentile concessione di Bosch Sensortec)

Il sensore di gas è in grado di rilevare composti organici volatili (COV), composti solforati volatili (CSV) e altri gas come monossido di carbonio e idrogeno nell'ordine di parti per miliardo (ppb). BME688 include una funzione di scansione che può essere personalizzata per sensibilità, selettività, velocità dei dati e consumo energetico.

Il software BME IA-Studio ottimizza il sensore di gas anche per altre miscele di gas e applicazioni. La scheda di valutazione BME688 può essere configurata con il software BME IA-Studio. BME IA-Studio supporta la configurazione dei sensori, l'analisi e l'etichettatura dei dati, la formazione e l'ottimizzazione di soluzioni applicative per fabbriche, strutture logistiche, domotica e dispositivi IoT.

Il campionamento dei gas e l'addestramento del sistema sul campo anziché in laboratorio consentono di progettare algoritmi più realistici, in grado di garantire prestazioni migliori e livelli di affidabilità più elevati in condizioni operative reali. Sfruttando la capacità di BME688 di misurare simultaneamente umidità, temperatura e pressione barometrica, oltre ai gas, è possibile sviluppare modelli di IA più completi e accurati.

Conclusione

È possibile sviluppare sistemi di fusione sensoriale per Impresa 4.0, la logistica e altre applicazioni utilizzando una serie di sensori discreti o una soluzione integrata che include più sensori in un unico pacchetto. I dispositivi integrati possono portare a soluzioni più piccole e a basso consumo per applicazioni mobili ed edge. Sia che si utilizzino sensori discreti o una suite di sensori integrata, le prestazioni possono essere migliorate con l'aggiunta di IA e ML.