Fusão de Sensores & Sensores Inteligentes

Fusão de Sensores

O white paper ‘Smart Sensors – habilitando a Internet das Coisas Inteligente‘ discutiu como o mundo da IoT é habilitado por sensores inteligentes com baixo consumo de energia, conectividade sem fio, com proteções de segurança e técnicas de fusão. Os desenvolvedores obtêm as melhores vantagens dos sensores inteligentes de nova geração para criar sistemas inteligentes de IoT. Este texto se concentra em sensores inteligentes e como eles são usados ​​para implementar um sistema de fusão de sensores inteligentes em algumas áreas de aplicação.

A fusão de sensores combina dados de diferentes sensores para análises mais complexas, o que é impossível usando sensores isoladamente ou separadamente. Além de adquirir várias magnitudes de dados, a fusão de sensores gerencia e combina esses dados com várias estratégias para oferecer respostas eficazes e consistentes. A fusão de sensores pode ser inteligente ou não, dependendo dos sensores usados ​​no sistema, o que significa que os sensores inteligentes tornam a fusão inteligente.

O desenvolvimento de técnicas de fusão depende da natureza do sistema em análise, para aprimorar o processo de tomada de decisão em ações específicas. No caso de fusão de sensores, duas situações são consideradas. Na primeira, são utilizados diferentes sinais para a fusão feita nos sensores. Na segunda, os dados são mesclados. Esses dados não precisam ser de magnitudes diferentes, mas devem ter sensores equivalentes em situações variadas.

A estrutura tradicional para fusão de sensores é de três níveis, e estas fases funcionam sequencialmente: Aquisição seguida de fusão de dados, Fusão de características e Fusão de decisões. Todos os três níveis funcionam com informações provenientes de diferentes classes (Figura 1). O nível mais baixo ou primeiro nível é feito de vários sensores que agrupam sinais de várias variáveis, como produtos químicos, quantidades físicas ou imagens. O segundo nível gerencia e processa os sinais obtidos. As principais informações são extraídas desses sinais. Por fim, existem classes de manipulação no terceiro nível (nível alto), que criam uma fusão de símbolos como caracteres, informações reconhecidas e estratégias. Este nível também possui algoritmos de decisão para reconhecimento e transmissão das informações. A fusão de sensores ajuda a impulsionar novas aplicações e, posteriormente, ajuda a alimentar o fenômeno conhecido como Big Data.

The flow of a sensor fusion system
Figura 1: O fluxo de um sistema de fusão de sensores

Como a aplicação influencia fortemente a configuração da fusão do sensor, é questionável se alguma técnica universal é uma solução uniformemente superior. No entanto, arquiteturas padrão como JDL Fusion, Waterfall Fusion Process, Boyd e o modelo LAAS podem ser adotadas de acordo com os requisitos da aplicação.

Os sensores fazem medições para fornecer dados ambientais. Essas medições geralmente são ruidosas, e é bom processá-las e reconstruir os parâmetros observados. A fusão de sensores usa algoritmos específicos para suavização, previsão e filtragem, semelhantes à rede neural convolucional, teorema do limite central, filtro de Kalman, Dempster-Shafer e redes bayesianas para obter resultados ideais. Esses algoritmos são usados ​​na detecção de altitude de aeronaves, orientação de sistemas e análise de situação de tráfego em espaço tridimensional.

Carros autônomos precisam de informações precisas sobre seus arredores para tomar decisões de direção adequadas e, assim, usar a fusão de sensores. Várias aplicações industriais e de consumo, incluindo controle de tração, smartphones, robôs industriais, automotivos, relógios inteligentes que monitoram atividades físicas: Tablets e IoT exigem capacidade de fusão de sensores.

Os sensores inteligentes têm seu próprio sistema de comunicação, o que lhes permite integrar o elemento sensor na rede. Os sensores inteligentes são diferentes de apenas um sensor padrão, pois integram o sensor, comunicação, condicionamento de sinal e tomada de decisão em um único sistema. Em termos simples, dentro de um único módulo, os sensores adquirem todas as grandezas físicas. Em seguida, esses sinais são condicionados eletronicamente por conversores A/D, filtros, etc. e processados ​​por microprocessadores e microcontroladores. A etapa de comunicação subsequente transmite dados usando diferentes meios através de Xbee, rede cabeada, rede sem fio, Bluetooth, em uma rede com muitos outros sensores para elementos de pós-processamento e análise de dados. O usuário pode configurar remotamente todo o sistema ou no dispositivo (Figura 2).

The flow of a smart sensor
Figura 1: O fluxo de um sensor inteligente

As principais aplicações dos sensores inteligentes são monitoramento ambiental, agricultura, transporte e tráfego, logística, industrial, hospitalar, iluminação, aeroespacial, conservação de energia, automotivo e telecomunicações. Atualmente, os sistemas IoT oferecem uma oportunidade maior em que dispositivos e serviços se tornam ‘mais inteligentes’ por meio de sensores capazes de medir quase todos os parâmetros concebíveis, incluindo pressão, inércia, como aceleração, orientação, movimento geral, localização e temperatura. A captura de um desses parâmetros pode adicionar uma funcionalidade considerável ao dispositivo, mas a incorporação de vários parâmetros gera uma funcionalidade holística.

Existe uma relação entre aplicações biomédicas e esportivas, aplicando a ideia de fusão de sensores e utilização de sensores inteligentes para quantificar e qualificar as variáveis ​​físicas que envolvem o corpo humano. Nesses casos, algumas variáveis ​​podem aumentar o desempenho e monitorar a condição de saúde de uma pessoa de acordo com a frequência cardíaca, força, aceleração, etc.

Por exemplo, no ciclismo, isso é aplicado tanto na melhoria do desempenho dos ciclistas quanto na reabilitação de atletas lesionados, prevenindo futuras lesões. Dados de diferentes tipos encontram uso, como potência, consumo de oxigênio, medição biomecânica de variáveis, frequência cardíaca e força efetiva no pedal. Estes são analisados ​​considerando sua relevância no desempenho atlético. Algumas análises podem ser realizadas em tempo real para fazer correções durante o exercício, oferecendo assim, aos atletas, perfis de pedalada. O ângulo do pé do atleta no pedal é vital para transferir a força do pé para o pedal. Sensores inerciais inteligentes analisam o ângulo do pé e apresentam a correção em um aplicativo em um dispositivo móvel para que o ciclista possa reposicionar o pé, conforme mostra a Figura 3.

Foot angle correction
Figura 3: Correção do ângulo do pé e fases de aplicação de força no pedal durante o movimento do ciclista

Para obter informações adicionais sobre sensores inteligentes e principais tendências no desenvolvimento de sensores, leia nosso whitepaper sobre ‘Smart Sensor-habilitando a Internet das Coisas inteligente‘.

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Para mais informações e adquirir componentes contate a LATeRe , representante da Newark, pelo Telefone (11) 4066-9400 ou e-mail: [email protected] 

* Texto originalmente publicado em: link

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ADRIANO MARQUES JAIME
Adriano
28/03/2022 12:58

Muito bom, parabéns!

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