Fusión de Sensores MEMS

por Mario 10 mayo, 2012, 5:59 pm

Muchas de las aplicaciones complejas de hoy en día, requieren de ordenadores para obtener información dentro un mundo ruidoso, donde la entrada de datos puede ser limitada en la precisión y a menudo, resulta no ser completa. Para afrontar el reto, la fusión múltiple de sensores se está desarrollando como la base de sistemas robustos que puedan dar sentido a una entrada imperfecta, a pesar del entorno en el que opera. A partir de técnicas como la inteligencia artificial (IA), el reconocimiento de patrones, el procesamiento de señales digitales, la teoría de control, y la estimación estadística, los datos de múltiples sistemas micro-electromecánicos (MEMS) se pueden fusionar para aumentar la velocidad y la precisión en aplicaciones que hasta hace poco sólo eran una teoría.

La combinación de varios “sentidos” para una salida mejorada de información, no es un concepto nuevo. Nosotros, los humanos, lo hacemos sin pensar. El gusto por ejemplo, es una de las mejores muestras de la fusión de sensores. Nuestro cerebro extrae los datos de más de 10.000 papilas gustativas ubicadas en la lengua, que definen e identifican las sensaciones de dulce, salado, ácido y/o amargo, sumado a la información que suministra nuestro olfato. Hay que incluir además, el descubrimiento de texturas de los alimentos en nuestra boca, para determinar por un lado los sabores que son ricos y agradables o aquellos que no nos gusta su sabor.

Los avances en la tecnología de sensores y sus técnicas de procesamientos, combinado con el hardware mejorado día a día, permiten que una fusión de datos en tiempo real sea posible. Estos avances ofrecen la posibilidad de emular, en hardware y software, las capacidades de datos de fusión que existen mediante la combinación y la integración de acelerómetros, giróscopos, sensores de presión, sensores magnéticos, y micrófonos. Es decir, múltiples sensores ubicados en combinaciones con procesamiento en una misma estructura (on-board) y conectividad inalámbrica. Estas características, permiten a las aplicaciones de fusión de sensores apuntar hacia un impresionante crecimiento en el futuro previsible. Por ejemplo, IHS iSuppli estima que el mercado total disponible, para los sensores orientados a la fusión de nueve ejes de movimiento, podría superar los U$S 850 millones en 2012 y subir rápidamente a 1.300 millones en 2015. En micrófonos MEMS, solamente, estiman un crecimiento para el mismo año, de hasta 450 millones de dólares, comparados con los 250 millones actuales.

Parte de la razón para este crecimiento (esperado) es que los dispositivos MEMS y las avanzadas tecnologías de sensores ya no tienen un precio prohibitivo, como hace pocos años atrás. La calibración, por ejemplo en la actualidad, se realiza en la fábrica o automáticamente. La miniaturización también está jugando un papel muy importante. Lo más importante, en aplicaciones de fusión de sensores, está en la suma las ventajas de las partes individuales que cada sensor aporta por sí mismo. Así como se están creando nuevos algoritmos de fusión para proporcionar cada vez mayor precisión, las mejoras adicionales aparecerán y serán beneficiosas para los nuevos desarrollos.

Del uso militar al público en general

En una primera instancia de desarrollo, las solicitudes de estos tipos de sensores se concentraron en el ámbito militar. El aprovechamiento de la fusión de datos sobre la base de múltiples sensores utilizados en el seguimiento de un objetivo, la identificación automatizada de éstos o la vigilancia y el control de vehículos autónomos. Los beneficios específicos dentro del uso militar incluyen una mayor precisión y una mayor capacidad para identificar, localizar y hacer un seguimiento de un objeto “en relación a otra cosa”. Por ejemplo, se ha descubierto que se obtienen mediciones más útiles cuando se combinan la posición, dirección, movimiento, tamaño, velocidad, etc., que si se analizan y procesan por separado. Con su éxito en el uso militar, la tecnología de fusión de sensores ha pasado ahora a una gran variedad de aplicaciones civiles, incluyendo la automoción, el control médico, el empleo en complejas maquinarias industriales, en robótica, electrónica de consumo, y muchas aplicaciones más.

La fusión de datos puede darse de diferentes maneras y generalmente, éstos datos obtenidos, incluyen el nivel de complejidad y el número de elementos o parámetros que se miden. El nivel de fusión alcanzado implica propiedades que se extraen a partir de observaciones o mediciones de sensores diferentes y se combinan en un vector de características concatenadas. La fusión de los sensores también puede ser centralizada o descentralizada en función de donde se produce la obtención de los datos. En una situación centralizada, los datos se envían a una ubicación central (MCU) y allí se fusionan y procesan. En una plataforma descentralizada, cada sensor tiene un grado de autonomía en la toma de decisiones y logra la fusión de datos con otros sensores de similar comportamiento. Los diseñadores de sistemas electrónicos son conscientes de que la tecnología de fusión de sensores es una realidad y trabajan para esta nueva técnica, buscando lo mejor de una Interfaz de Programación de Aplicaciones (API). Esto da como resultado una elaboración de software que complementa e incluso supera las limitaciones actuales en el uso de sensores de movimiento, que conducen por ejemplo, a juegos cada vez más realistas y a la utilización de realidad aumentada de alta precisión.

Un KIT de Desarrollo

El kit STEVAL – MKI062V2 es la segunda generación de la familia de módulos iNEMO ™. En él se fusionan acelerómetros, giroscopios y magnetómetros con sensores de presión y temperatura para proporcionar tres ejes de detección de movimiento lineal, angular y magnético, complementados con lecturas de temperatura y un barómetro / altitud, lo que representa el nuevo sistema de 10 grados de libertad ST 10-DOF (Degrees of Freedom) de la plataforma. Basado en la versión anterior, el STEVAL – MKI062V2 representa otro paso adelante en la miniaturización, la integración de cinco sensores ST: un giróscopo de 2 ejes: Giro e Inclinación (Roll & Pitch), un giroscopio de un solo eje (Yaw), un módulo geomagnético de 6 ejes, un sensor de presión y un sensor de temperatura. Este sistema inercial, DOF 10, representa una plataforma de hardware completo que se puede utilizar en numerosas aplicaciones, tales como realidad virtual, realidad aumentada, estabilización de imagen, interfaces hombre-máquina y robótica.

Un conjunto completo de interfaces de comunicación con varias opciones de suministro de energía en un PCB de tamaño pequeño (4 x 4 cm) hacen de iNEMO V2 una plataforma de demostración flexible y abierta. Para ayudar al usuario en el desarrollo y el análisis de sus funciones, el kit de demostración STEVAL-MKI062V2 incluye una interfaz de ordenador para la visualización de salida de los sensores y una biblioteca de ejemplos (firmware) para facilitar las demostraciones sobre las utilidades de este kit que incluye:

Dos opciones de alimentación: conector de alimentación externa y conector USB

STM32F103RE: Microcontrolador de alta densidad de rendimiento basado en un núcleo ARM de 32-bit con 256 a 512 KB Flash, USB, CAN, 11 temporizadores, 3 ADC y 13 interfaces de comunicación (I/O)

LPR430AL: Giróscopo de 2 ejes (giro, inclinación) 300°/s con salida analógica y la opción de filtros adicionales

LY330ALH: Giróscopo de un eje Yaw de 300°/s con salida analógica y la opción de filtros adicionales

LSM303DLH: módulo geomagnético de 6 ejes: ± 2 g / ± 4 g / ± 8 g de aceleración plena sobre escala lineal, escala magnética configurable ± 1,3 a ± 8,1 Gauss (máximo) y salida I2C