Взросление технологии слияния данных Sensor Fusion

как и в других областях электроники, производители интегральных микросхем не стоят на месте. Созданные ими специализированные ИС являются готовыми решениями для технологии слияния данных. С помощью этих микросхем можно эффективно взаимодействовать с различными цифровыми сенсорами. При этом в них уже встроены алгоритмы обработки данных, что значительно упрощает жизнь разработчикам
532
В избранное

Развитие электроники привело к тому, что многие датчики перешли из разряда аналоговых и механических устройств в разряд полупроводниковых цифровых микросхем, которые используются как для мониторинга состояния различных механизмов, так и для измерения параметров окружающей среды. Следующим шагом развития датчиков стало появление технологии слияния данных (sensor fusion), которая подразумевает объединение различных сенсоров для решения общих задач. Совместная работа нескольких датчиков позволяет сделать качественный шаг вперед и добиться отличных результатов.

Идея совместного использования нескольких датчиков с последующей обработкой информации и принятия решения появилась еще в 1950-х годах. Однако в те времена реализовать ее было чрезвычайно сложно. Тем не менее, примерно в 1960 году математикам удалось создать алгоритмы, позволявшие просчитывать решения с учетом показаний от нескольких сенсоров. Разработанные таким образом фильтры удаляли бессмысленные данные, появлявшиеся вследствие шумов или из-за воздействия других источников.

Потребовалось совсем немного времени, прежде чем военные поняли, что новая технология будет чрезвычайно полезной и для их целей. Возможность обработки информации, поступающей от нескольких источников, и сравнение ее с уже имеющимися данными позволяет лучше отслеживать и идентифицировать потенциальные воздушные цели и даже оценивать надежность результатов. С развитием компьютеров и датчиков технология постоянно совершенствовалась, но все же на этом пути периодически возникали различные сложности.

Потенциал технологии слияния данных

Когда появились первые микропроцессоры, пользователи быстро оценили их широкие возможности и стали искать задачи, которые процессоры могли бы решать. Примерно то же происходит и с технологией слияния данных. Если вы располагаете достаточной вычислительной мощностью для мониторинга множества датчиков, имеете возможность анализировать данные в реальном времени и обладаете функциями управления, то спектр приложений для новой технологии оказывается практически безграничным.

Вот лишь несколько наиболее очевидных примеров.

Мониторинг медицинских показателей – в том числе диагностика здоровья атлетов и пациентов.

Уход за пожилыми людьми – автоматический контроль состояния здоровья пожилых людей позволяет уменьшить численность обслуживающего персонала.

Транспорт – реализация функций мониторинга и контроля, расширение возможностей систем безопасности.

Общественная безопасность – расширение возможностей систем пожарной безопасности и систем охранной сигнализации.

Развлечения – игры, в том числе контроллеры и гарнитура, для систем виртуальной реальности.

Прогноз погоды – интеллектуальные метеостанции позволяют не только прогнозировать погоду, но и выполнять подготовку при возникновении штормовых ситуаций. Они, например, могут закрывать штормовые затворы, перекрывать водопровод и т. д.

Системы климат-контроля – интеллектуальное управление комнатной температурой, влажностью, качеством воздуха т. д.

Конечно, все перечисленные приложения в той или иной форме были реализованы уже много лет назад. Однако именно технология слияния данных, благодаря возможности принятия решений на основе информации от множества различных датчиков, позволяет совершить в этих областях настоящую революцию.

Трекеры активности и другие мониторы медицинских показателей стали первыми приборами, использовавшими технологию слияния данных

Рис. 1. Трекеры активности и другие мониторы медицинских показателей стали первыми приборами, использовавшими технологию слияния данных

Объединение технологий

К счастью, как и в других областях электроники, производители интегральных микросхем не стоят на месте. Созданные ими специализированные ИС являются готовыми решениями для технологии слияния данных. С помощью этих микросхем можно эффективно взаимодействовать с различными цифровыми сенсорами. При этом в них уже встроены алгоритмы обработки данных, что значительно упрощает жизнь разработчикам.

Для решения задач, возникающих при реализации технологии слияния данных, производители ИС либо адаптируют уже существующие продукты (например, микроконтроллеры) либо создают абсолютно новые решения. При этом общего названия для таких микросхем пока нет. В документации и литературе можно встретить различные варианты: специализированным процессор, микроконтроллер, концентратор датчиков, процессор слияния данных и др.

Технология слияния данных активно используется на потребительском рынке: в смартфонах, в трекерах активности и в других устройствах. Последнее поколение смартфонов от Apple, Samsung и прочих производителей обладает богатым набором датчиков и сенсорных функций. В частности речь идет о «стандартном» комплекте, включающем трехосевой акселерометр, трехосевой гироскоп, трехосевой магнитометр. Очень часто эту комбинацию называют 9-осевым датчиком (9-DoF, nine degrees of freedom).

Большую часть времени все датчики и сенсорные функции в смартфоне остаются активными. Если бы обработкой получаемых от них данных занимался центральный процессор, то аккумулятор устройства разряжался бы очень и очень быстро. Вместо этого сбор и анализ данных выполняют высокоэффективные специализированные микросхемы, которые обладают минимальным потреблением. В качестве конкретного примера можно привести микроконтроллеры M7 от NXP. По словам специалиста из Chipworks, Apple использует индивидуальную версию чипа NXP для мониторинга датчиков в iPhone 5S.

«Сопроцессор M7 работает с различными дискретными сенсорами, включая гироскоп, акселерометр и компас». Samsung выполняет ту же задачу с помощью 8-битных микроконтроллеров с ядром AVR от Microchip.

Новые программные приложения используют всю мощь сенсорных технологий смартфона, в том числе 9-осевой датчик, для мониторинга медицинских показателей, трекинга активности и т.д. Кроме того, применение GPS и данных от внешних источников еще больше расширяет функционал смартфона. Если добавить к этому возможность подключения внешних сенсоров с помощью Bluetooth, то потенциал новых приложений кажется безграничным.

Специализированный процессор работает с различными дискретными датчиками, включая гироскоп, акселерометр, компас и др.

Рис. 2. Специализированный процессор работает с различными дискретными датчиками, включая гироскоп, акселерометр, компас и др.

Цель производителей микросхем заключается в том, чтобы предоставить разработчикам готовое интегральное решение, способное обеспечивать обработку данных от датчиков в реальном времени при минимальном уровне собственного потребления. Помимо смартфонов, такие решения будут востребованы и в других приложениях и устройствах, например, в планшетах, ультрабуках, IoT-устройствах, игрушках, медицинских приборах, системах мониторинга окружающей среды, портативной электронике и т.д.

Чтобы помочь разработчикам с освоением новой технологии, предлагаются различные отладочные наборы. В качестве примера можно привести набор ATAVRSBIN2 от Microchip (ранее Atmel). Microchip использует технологию слияния данных в широком спектре продуктов, которые образуют общую экосистему (“Complete Sensor Ecosystem”). В то же время компания признает, что в одиночку невозможно решить все задачи, связанные с анализом и обработкой данных от множества различных датчиков.

Чтобы преодолеть эти сложности, компания Microchip начала сотрудничество с несколькими ведущими производителями датчиков и специалистами в области технологии слияния данных для создания законченного и простого в применении решения (Sensor Hub Solution).

В настоящее время на рынке чаще всего применяется подход, подразумевающий упаковку в одном корпусе микроконтроллера с тремя или более МЭМС-датчиками. Примером такого решения является LIS331EB от STMicroelectronics. Эта микросхема объединяет микроконтроллер и высокоточный трехосевой цифровой акселерометр в одном малогабаритном корпусе 3 x 3 x 1 мм.

Используемый микроконтроллер построен на базе процессорного ядра ARM Cortex-M0 и имеет «на борту» 64-Кбайт Flash, 128- Кбайт ОЗУ, таймеры, интерфейсы 2xI²C (ведущий/ ведомый) и SPI (ведущий/ ведомый). LIS331EB также может обрабатывать данные, получаемые от девяти внешних сенсоров, например, от гироскопа, магнитометра и датчиков давления. Таким образом, микросхема способна выполнять функции концентратора датчиков. LIS331EB использует программное обеспечение iNEMO Engine.

Программный движок iNEMO Engine от STMicroelectronics включает набор адаптивных алгоритмов прогнозирования и фильтрации, позволяющих обрабатывать данные, поступающих от нескольких сенсоров.

NXP также предлагает линейку микросхем, объединяющих микроконтроллер и датчики в одном корпусе. Данная линейка досталась NXP «по наследству» от Freescale. FXLC95000 Xtrinsic Motion Sensing Platform имеет встроенный МЭМС-акселерометр и 32-разрядный микроконтроллер ColdFire. Также как и рассмотренное выше решение от STMicroelectronics, FXLC95000 может одновременно обрабатывать данные, поступающие от внутренних и внешних датчиков. Стоит заметить, что Freescale была первой компанией, выпустившей программируемый пользователем микроконтроллер со встроенным концентратором датчиков. Микросхема позволяет обрабатывать до 16 входов от сенсоров, выполнять калибровку, компенсацию и другие функции, тем самым разгружая основной процессор.

FXLC95000 работает как с фирменными драйверами от Freescale, так и с драйверами от сторонних производителей, например, Bosch, Fairchild, Honeywell, MicroChip и TI.

32-разрядный микроконтроллерный концентратор Xtrinsic FXLC9500 от NXP со встроенным акселерометром

Рис. 3. 32-разрядный микроконтроллерный концентратор Xtrinsic FXLC9500 от NXP со встроенным акселерометром представляет собой масштабируемый, автономный и высокоточный отладочный модуль с открытой архитектурой, позволяющий работать с множеством датчиков 

Технология Sensor fusion и облачные вычисления

Собственных локальных возможностей устройств достаточно для получения широкого функционала. Однако настоящее «веселье» начинается, когда «в бой» вступают облачные технологии. В таком случае данные, получаемые от удаленных датчиков, обрабатываются концентратором и отправляются в Облако. Там они хранятся, анализируются и используются для принятия каких-либо управляющих действий.

Например, для автоматического насоса, работающего в труднодоступном месте, всегда существует некоторый риск технического отказа. С помощью датчиков можно удаленно контролировать перегрев помпы и даже обнаруживать поломки. Более того, современные сенсоры способны измерять уровень вибраций, химический состав выхлопных газов, шум подшипников и параметры окружающей среды.

Специальная программа позволяет контроллеру выключать и повторно запускать насос, не дожидаясь прихода обслуживающего персонала.

Система также помогает определить, требует ли ремонта весь насос целиком или необходимо всего лишь заменить какую-либо его составную часть. Таким образом, технология слияния данных исключает простои, минимизирует дорогостоящие выезды технического персонала, обеспечивает контроль исправности и эффективности работы насоса.

Те же идеи применимы для авиационных двигателей, лифтов и многих других механических систем.

Стоит отметить, что алгоритмы слияния данных могут выполняться не только локальным контроллером датчиков, но облачным сервером. Открытое ПО позволяет собирать данные от датчиков и выполнять удаленную обработку и анализ.

Вывод

Технология слияния данных (sensor fusion) созрела как раз тот момент, когда наблюдается расцвет в области датчиков, беспроводной связи и других технологий. На заре своего появления она была доступна только для самых передовых правительственных лабораторий. Теперь же эта технология оказывается вполне «по карману» даже для многих потребительских товаров.

Благодаря мобильным решениям и новым бюджетным цифровым датчикам, технологию слияния данных ожидает очень быстрый рост. Для разработчиков настало время включить творческое мышление и начать экспериментировать!

Производитель: STMicroelectronics
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
INEMO-M1
STMicroelectronics
Арт.: 988802 ИНФО PDF RD OBS
Доступно: 81 шт. от: 4770 руб.
Миниатюрный 9-осевой модуль с геомагнитным датчиком и гироскопом. Объединяет несколько датчиков ST с мощным вычислительным ядром: 6-осевой геомагнитный датчик, 3-осевой гироскоп и ARM Cortex-M3 32-битный микроконтроллер.
INEMO-M1 от 4770,00 от 2 шт. 4770,00 от 3 шт. 4770,00 от 7 шт. 4770,00
81 шт.
(на складе)
Производитель: Microchip Technology Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ATAVRSBIN2
ATAVRSBIN2
Microchip Technology Inc.
Арт.: 1036675 ИНФО PDF RD
Доступно: 22 шт.
Выбрать
условия
поставки
This product is no longer available for sale. The Inertial Two Sensor Board delivers a full 9 degree of freedom sensor platform, combining an accelerometer, a compass and a gyroscope, and is ideal for developing motion sensing or user interface applicatio
ATAVRSBIN2 от 5 шт. от 2598,24
22 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: PNI
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
13864 SENtral-A Sensor Fusion Coprocessor For Android
13864 SENtral-A Sensor Fusion Coprocessor For Android
PNI
Арт.: 2202082 ИНФО PDF
Доступно: 50 шт. от: 118 руб.
Специализированные сопроцессоры-концентраторы SENtral разработаны специально для ОС Android. В частности SENtral-A совместим с большинством функций Android 4.4 KitKat при работе с датчиками.
13864 SENtral-A Sensor Fusion Coprocessor For Android от 118,00 от 15 шт. 118,00 от 33 шт. 118,00 от 70 шт. 118,00 от 184 шт. 118,00
50 шт.
(на складе)
Производитель: Bosch Gpoup
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
BHA250
Bosch Gpoup
Арт.: 2264152 ИНФО PDF
Доступно: 2315 шт.
Выбрать
условия
поставки
Система на кристалле, выполненная в корпусном исполнении 2,2x2,2x0,95 мм и объединяющая сопроцессор-концентратор и 14-битный акселерометр.
BHA250 от 1444,06
2315 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Nxp Semiconductors
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
FXLC95000CLR1
FXLC95000CLR1
Nxp Semiconductors
Арт.: 2454458 ИНФО PDF
Доступно: 3 шт.
Выбрать
условия
поставки
MOTION-SENSING PLATFORM, 3-AXIS, LGA-24
FXLC95000CLR1 от 2 шт. от 758,37
3 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()