תפקיד ה-Destion Conditioning in Multi-Sensor Fusion Systems

מערכות מרובות-רגישות מודרניות משלבות נתונים ממגוון של חיישנים - לידר, מכ"ם, מצלמות, יחידות מדידה לא-רצינית (IMUs), ובדיקות סביבתיות - כדי ליצור ייצוג קוהרנטי ומדויק של הסביבה.מערכות אלה הן עמוד השדרה של כלי רכב אוטונומיים, רובוטיקה מתקדמת, ניווט אווירי, ואוטומציה תעשייתית.

מיזוג אותות כולל מגוון של צעדים אנלוגיים ודיגיטליים: סינון להסרת רעש, הגדלה כדי להתאים את המרה האנלוגי-ל-דיגיטלי (ADC) טווחים, קליברציה לתקן הטיה של חיישן, בידוד כדי למנוע לולאות קרקע, ואת הזמן-לאורציה כדי לסנכרן זרמי נתונים.כל צעד חייב להיות מותאם לסוג החיישן הספציפי, סביבה הפעלה, ומטרות היתוך יעיל עבור טכניקות תכנות יעיל ביותר עבור למערכות מרובות.

עקרונות הליבה של הפרעת אות ב- Fusion Contexts

היתוך רב-סנסטור מדגימה את החשיבות של איכות אות כי שגיאות של חיישן אחד יכול להפיץ דרך אלגוריתם ההיתוך ו degrad את ההערכה הכוללת.מצב חייב להיות עקבי על פני כל הערוצים - כל אות של חיישן צריך להיות מעובד לסטנדרט נאמנות משותף.

  • (FLT:0) ספקטרום ספקטרלי תואם: מילימטר 1 (מסננים) חייב לכוון את פרופיל הרעש הספציפי של כל חיישן (למשל, 1/f רעש במקלים של mMS, רעש ירי בפוטטקטורים).
  • (FLT:0) הקטנת תדירות: FLT:1 Conditioning מעגלים צריך להציג עיכוב מינימלי, במיוחד עבור חיישנים גבוהים כמו IMUs (הונדים לאלפים של הרץ).
  • (FLT:0) שימור טווח דינמי: FLT:1; Amplifiers ו- ADCs יש לבחור להימנע מזינוק או הדבקה, שמירה על הבדלים עדינים שעשויים להיות קשורים בין הצדדים.
  • (ב) ⁇ :0) אי-הההתמדה וההתמדה: כל נתיב המיזוג צריך לכלול נקודות מבחן ו metadata כך שניתן לפצות על שטף.

עקרונות אלה מנחים את הבחירה והיישום של טכניקות ספציפיות של מיזוג, מפורטות להלן.

טכניקות מפתח ל-Destion Conditioning

שם הסרטון: Tailoring stopbands to Sensor Noise

סינון הוא טכניקת ההנעה הבסיסית ביותר. במערכות היתוך, מסננים מוחלים הן בצורה אנלוגית (לפני ADC) ודיגיטלית (לאחר המרה משותפת סוגים כוללים:

  • (FLT:0)Low-pass filters (LPF)BuildFLT:1) - להסיר רעש גבוה קידוד כגון התערבות חשמלית או רטט מכני.לדוגמה, 10 הרץ LPF על חיישן לחץ ברומטרי מבטל את גלי הרוח תוך שמירה על שינויים בגובה.
  • (FLT:0) מסננים (HPF) אנדרל 1) - לחסום DC offsets וסחף נמוך ⁇ . Accelerometers ניטור רטט לעתים קרובות להשתמש HPFs כדי לבודד האצה דינמית מן הכבידה.
  • (FLT:0)Band-pass ו- Notch filtersveFLT:1) - לדחות תדרי התערבות ידועים (למשל, 50/60 הרץ קו חשמל) תוך העברת קבוצת האות של עניין.
  • (FLT:0) מסננים מועדים (FLT:1) - התאמה דינמית של coefficients המבוססים על סביבת הרעש הנוכחית, שימושית כאשר מאפייני רעש חיישן משתנים (למשל, בטמפרטורות שונות או תנאי תנועה).

בפועל, מערכות מרובות-רגישות היתוך לעתים קרובות cascade אנלוגי וסינון דיגיטלי. An אנלוגי LPF לפני ADC מונעים aliasing, בעוד מסנן FIR דיגיטלי מסיר שאריות מחוץ לרעש פס.צו מסנן, חיתוך תדירות, וסוג (אבלterworth, Chebyshev, Bessel) חייב להיות נבחר כדי לאזן (למשך זמן חשוב של חיישנים של טיסה) ותגובה ליניארית.

(FLT:0) התרגול הטוב ביותר: המחשה 1:1 , אפיז את ספקטרום הרעש של כל חיישן בתנאים תפעוליים באמצעות מנתח ספקטרום או FFT. ולאחר מכן מסננים עיצוב המספקים לפחות 20 dB של העצמה בתדרים רעש תוך שמירה על פחות מ-0.5 dB ripple בפס המעבר. השתמש במסננים פעילים (Slen-Key, משוב מרובים) עבור שלבים אנלוגיים ואופטימיזציה של שלבים או IIR עבור שלבים דיגיטליים עבור שלבים.

ADC Full-Scale Range

הגדלה מבטיחה כי מתח הפלט האנלוגי של החיישן משתרע על חלק משמעותי בטווח קלט של ADC, למקסם את הרזולוציה ואת יחס אות-ל-לא-רעש (SNR) A dim photodiode עשוי לייצר רק מ"למולטים; להגביר אותו לכמה וולט מאפשר ADC ללכוד שינויים ברמת מיקרו-וולאט.

מגברי רווח מתכנתים (PGAs) נפוצים במערכות מרובות-חישה כי הם מאפשרים התאמה דינמית לערוץ או מחזור מדידה.לדוגמה, מערכת היתוך במל"ט עשויה להשתמש PGA כדי לעבור בין רווח גבוה עבור סצנות מצלמה דלת אור ורווח נמוך עבור אור יום בהיר, להסתגל בזמן אמת.

שיקולים מרכזיים:

  • (ב) [ה]הגבר]: [ה] [ה] [ה] [ה]] [ה]] [ה]]], [ה], [ה]][ה]]]], [ההגבר] מוסיף רעש.
  • (FLT:0)Bandwidth: FLT:1, המוצר בעל פס גבוה חייב לתמוך בתדירות האות הגבוהה ביותר.Oversampling ADCs לעתים קרובות דורשים מגבר עם רוחב פס 10x קצב הדגימה ADC.
  • (FLT:0)Offset andסחף:FLT:1 Auto-zero או מגבר מצמצם את ה- DC וסחף טמפרטורה, שהוא חיוני כאשר מסובבים מגמות ארוכות טווח (למשל, חיישנים בלחץ טמפרטורות).

(FLT:0) התרגול הטוב ביותר: ההרחבה 1 (FLT:1) פשטה את טווח פלט החיישן הצפוי נגד ADC בקנה מידה מלא עבור כל מצב הפעלה.קבע את רווח PGA כך שהאות המרבי הצפוי מגיע ל-90% מהסקאלהקנה המלאה, עוזב את חדר הראש עבור טראנסים.אישום להשיג מעבר בהתבסס על רמת אות או על קצבי תאורה חיצוניים (למשל, סף האצה).

סטיות אנליסטים-to-Digital Conversion: resolution, Sampling Rate, ו-SynSyncization

ADC הוא הגשר בין העולם האנלוגי לבין אלגוריתמי היתוך דיגיטליים.בחירת פרמטרים ADC משפיעה באופן דרמטי על ביצועי המערכת:

  • (FLT:0)Resolution:IRLT:1 ; 12-16 ביטים אופייניים ל- IMUs וחיישנים סביבתיים; 18-24 סיביות לתאי עומס גבוה או תרמוקופסים. היתוך רב-סנסורים לעתים קרובות יתרונות מרזולוציה גבוהה יותר כי שינויים אות קטנים עשויים להיות מתואמות על פני חיישנים.
  • (FLT:0Sampling Rate: 1FLT) חייב לספק את הקריטריון של Nyquist עבור רוחב הפס של חיישן. עבור היתוך, כל נתוני החיישן חולקים באופן אידיאלי שעון דגימה משותף כדי למנוע שגיאות בין-פולציה.מערכות רבות משתמשות שעון אמן יחיד המניע מספר ADCs עם מעגלים מדגם ו-hold.
  • (FLT:0Architecture:FLT:1 , Approximation הרשמה (SAR) ADCs מציעים שקיפות נמוכה ומהירות גבוהה (עד 10 MSPS) דלתא-sigma ADCs לספק החלטה גבוהה (עד 24 ביטים) אבל להציג עיכוב קבוצתי עקב סינון דיגיטלי - ניתן לחיישנים נמוכים אך בעייתיים עבור לולאות בזמן בקרה בזמן אמת.

Synchronization הוא קריטי במערכות היתוך. asynchronous sampling יכול להוביל להטעות של נתונים מפוצצים זמן, הצגת שגיאות במסננים קלמן או מסננים חלקיקים. השתמש ADCs עם מדגם מובנה-in-in-in-in-in-hold ושעון דוגמנות גלובלי, או ליישם מנגנון טמפפטפטפטציה (למשל, באמצעות FPGA עד לזמן המרה המדויק).

(FLT:0) התרגול הטוב ביותר: ⁇ FLT:1 , בחר פתרון ADC שנותן רצפת רעש קוונטית לפחות 10 dB מתחת לרעש הפנימי של החיישן.עבור מערכות מרובות-rate, חיישנים בעלי צפיפות נמוכה יותר ו decimate דיגיטלית כדי להפחית את קצב הרעש והדגימה של הרץ.

קוצר רוח והערכה של חיישנים שאינם מקריות

אין חיישן ליניארי לחלוטין, חוזר או יציב.קליברציה לתקן שגיאות שיטתיות כגון התחלה, רווח, ולא ליניאריות. בהיתוך רב-רגיש, כיור חייב להתבצע הן באופן אישי והן יחסית לחיישנים אחרים (קרוסה).

חינון אינדיבידואלי בדרך כלל כרוך חשיפת החיישן לערכי ההתייחסות הידועים (זמן, לחץ, האצה) והחלפת שולחן פולינומי או מבט (לדוגמה, מד תאוצה של MEMS עשוי להיות תגובה לא ליניארית להאצה שניתן לתאר על ידי משוואה מסדר שלישי.

Cross-calibration מבטיח כי כל החיישנים חולקים מסגרת קואורדינט משותף ותגמול לבה.לדוגמה, יש להזיז פרמטרים דרמטיים מצלמה ביחס ל- LiDAR כדי למזג עננים נקודתיים עם תמונות.זה כולל לכידת תמונות וסריקות LiDAR של יעד קליברציה ופתרון לסיבוב ותרגום.

(FLT:0) התרגול הטוב ביותר: המחשה 1 (ראה: ⁇ 1) השתמש ב- calibration ⁇ s אוטומטיים לאיסוף נתונים על טווח התפעול המלא (למשל, תא לטיות IMU לעומת טמפרטורה) מחסנית משככי קלוריות ב- EEPROM וליישם אותם בזמן אמת באמצעות מיקרובקר או DSP.

פיצוי דיגיטלי עבור Drift ו Aging

גם לאחר ה calibration הראשוני, חיישנים נסחפו לאורך זמן ועם שינויים סביבתיים.התתת הטמפרטורות חשובה במיוחד עבור מערכות היתוך הפועלות בחוץ. חלק מה- ADCs כוללים חיישני טמפרטורה פנימיים שניתן להשתמש בהם כדי להסתגל להתפרצות ולרווח בזמן אמת.בנוסף, חיישן מודרני רבים ICs (למשל, FLT:0Bosch B055FLT:1) משלב אלגוריתמים ואלגוריתמים גולמיים, אך לא יכולים להשתמש במחסנים אלה כדי להשתמש במחסנים כדי להשתמש ב-inpotitects.

אות בידוד: שוברים את הלופים הקרקעיים ומונעים התערבות

מערכות מרובות-רגישות לעתים קרובות משתרעות על מרחקים פיזיים עם פוטנציאל קרקע שונה, מה שמוביל ללולאות קרקעיים המזרקות רעש לסימנים.טכניקות של בידוד מונעות זאת על ידי הפרדה גליונית של החיישן מעיגול העיבוד.

  • (ב) ,0)Optocouplers (FLT:1) - לספק בידוד אופטי, מתאים אותות דיגיטליים (למשל, הדופק קודר) עד עשרות kHz.
  • (FLT:0) ,Isolation amplifiersFLT:1) - השתמש במשנה או הפיכה קיבולית להעביר אותות אנלוגיים עם דחייה נפוצה גבוהה (CMR) דוגמה: ISO124 מטקסס מכשירים.
  • (FLT:0)Digital isolators FLT:1ua - כמו סדרת ADuM ממכשירים Analog, להתמודד עם תקשורת מהירה SPI או I2C בין מודולים לבין מעבד ההיתוך המרכזי.

בידוד הוא קריטי במיוחד כאשר ניצול נתונים מחיישנים בסביבות גבוהות-EMI (כוננים חשמליים לרכב, נביחות תעשייתיות) הוא גם מגן על לוגיקה נמוכה של מתח נמוך מקצרים מקריים לקווי אספקת חיישן גבוהה.

(FLT:0) התרגול הטוב ביותר: ⁇ FLT:1) לקבוע את מתח הבידוד הנדרש (למשל, 2.5 kV או 5 kV) בהתבסס על תקני בטיחות המערכת. Place בידוד מחסומים בגבול בין אזורי חוצות ונקי קרקע. השתמש בסימן שונה (כמו RS-485) עבור ריצות כבל ארוכות, ואחריו בידוד של קבלת מעגלים.

זמן סינכרון והנתונים Alignment

אלגוריתמים של היתוך רב-סנסורים מניחים כי מדידות מחיישנים שונים תואמים לאותו רגע בזמן. Misalignment של אפילו כמה מילימטרים יכולים לגרום שגיאות משמעותיות ביישומים מהירים כגון מל"ט ייצוב או הפסקת חירום לרכב חייב לכלול מנגנונים עבור זמן מדויק בולים וסינכרון.

גישות נפוצות:

  • (FLT:0) synSyncization: FIRLT:1 ; A משותף אות מעורר (למשל, PPS מ- GPS) יוזם דגימות במקביל לוכדים בכל ADCs.זוהי השיטה המדויקת ביותר (דיוק של סוב-מיקרו-שני).
  • (FLT:0) ,Software פעמיםtamps:FreaLT:1 ; כל חבילת הנתונים של חיישן מקבל פיאטאמפ משעון בזמן אמת מרכזי. אלגוריתם ההיתוך ואז בין דגימות כדי ליישר אותם לבסיס זמן משותף.
  • (FLT:0)FIFO buffers:FLT:1eur חומרה ייעודית FIFOs ב FPGAs או microcontrollers יכול לאחסן דגימות נכנסות עם תזמון מדויק, מאוחר יותר לקרוא על מנת.

לדוגמה, מערכת רכב אוטונומית טיפוסית משתמשת אות הדופק-שני (PPS) כדי לאפס את הדלפק המספק חותמות זמן ל- LiDAR, מצלמה, ו- IMU.נתוני IMU ב -100 הרץ, לאחר מכן הם מנטרלים כדי להתאים את 10 הרץ LiDAR סריקות.

(FLT:0) התרגול הטוב ביותר:Buildry 1 (איור 1) עיצוב המעגלי של מיזוג לכלול קלט סנכרון ייעודי ממקור שעון מדויק. השתמש בחומרה עם נטיות ⁇ (למשל, FPGAs ולא תוכנה מחוספסת על ידי מערכת ההפעלה) עבור מערכות ללא שעון גלובלי, לאמץ את פרוטוקול זמן ההליכה של IEEE 1588 (PTP) על פני Ethernet כדי לסנכרן לארנים חיישנים מבוזרים.

שיקולים מתקדמים ל-Des Conditioning ב- Fusion

ניהול טווח דינמי ו- Auto-Ranging

סביבות בעולם האמיתי מציגות אותות שונים מעל הזמנות רבות של גודל.מערכת היתוך עבור מיקום מקור אודיו עשוי להיות צורך להתמודד הן לחשים והן רעשים חזקים. Auto-טווח amplifier ברציפות על בסיס רמת האותות המיידי, שמירה על האות בטווח ADC. זה נמנע מזינוק תוך כדי למקסם את SNR.

יישום דורש לולאה משוב המדורה את האות amplitude והתאמה להרוויח דיגיטלית (באמצעות PGA) Hysteresis למנוע oscillation סביב סף המעבר.עבור מערכות מרובות-חישה, טווח אוטומטי חייב להיות מתואמת כך שכל הערוצים לשמור על רגישות עקבית - אם אחד החיישן משתנה במהלך עדכון היתוך, האלגוריתם חייב להיות לאified כדי להתאים את cocevarianstric בהתאם.

אינטגרציה ואספקה

חיישנים ועיגולי מיזוג רגישים לרעש אספקת חשמל, אשר יכול להתחבר אל נתיב האות.שימוש ב הרגולטורים נמוכים (LDOs) עם גבוה PSRR (יחס דחיית כוח) הוא סטנדרטי.כל שלב אנלוגי צריך להיות בעל ערך משלו LDO ו decoupling capacitor (0.1 μF + 10 μ per IC). עבור מערכות בעלות נמוכה מאוד, להשתמש אנלוגיה לתחומים דיגיטליים או אספקת שטח יחיד (F) רק קיבולת יחידה מוגבלת רק קיבולת יחידה קיבולת יחידה אלקטרוניקה).

ניהול וטמפרטורה Drift Compensation

כל מרכיבי אנלוגיים מציגים סחף טמפרטורה.מגברים שונים יכולים לשמש כדי לדחות את הסחף המשותף, אבל סחף חי עדיין עשוי להשפיע על תפוקה היתוך. Place טמפרטורה חיישנים ליד רכיבי התניה קריטיים ולהשתמש בקריאה כדי ליישם תיקונים דיגיטליים. לדוגמה, ההתחלה של מגבר כלי לעתים קרובות משתנה על ידי עשרות מיקרו וולט לדרגות צלזיוס; מבט טבלה או פולינומי יכול לפצות את הטמפרטורה הידועה.

מסקנה

מיזוג אותות הוא מאיץ של היתוך רב-רגישים חזקים. על ידי תכנון קפדני סינון, amplification, ADC בחירה, קיטור, בידוד, סינכרון, מהנדסים יכולים להבטיח שכל חיישן תורם נתונים באיכות גבוהה לאלגוריתם ההיתוך, הטכניקות המתוארות - סינון אדפטי, רווח פתור גבוה, רזולוציה גבוהה, aDC, ניתוחי מחזורי תנועה משפטיים, כמו גם כלי פעולה סטנדרטית של פעילות גופנית, כמו מחסנית, 000.