Fusión de Sensores MEMS

Muchas de las aplicaciones complejas actuales requieren ordenadores para obtener información en un mundo ruidoso, donde la entrada de datos puede tener una precisión limitada y, a menudo, resultar incompleta. Para afrontar el reto, la fusión múltiple de sensores se está desarrollando como la base de sistemas robustos capaces de dar sentido a una entrada imperfecta pese al entorno en el que operan. 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 solo eran 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. También hay que incluir la percepción de las texturas de los alimentos en nuestra boca para determinar, por un lado, los sabores ricos y agradables y, por otro, los que no nos gustan.

Los avances en la tecnología de sensores y sus técnicas de procesamiento, combinados con hardware que mejora día a día, permiten que la fusión de datos en tiempo real sea posible. Estos avances ofrecen la posibilidad de emular, en hardware y software, las capacidades de fusión de datos que existen mediante la combinación y la integración de acelerómetros, giróscopos, sensores de presión, sensores magnéticos y micrófonos. Es decir, múltiples sensores combinados con procesamiento en una misma estructura (on-board) y conectividad inalámbrica. Estas características permiten que las aplicaciones de fusión de sensores apunten a 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. Solamente en micrófonos MEMS, estiman un crecimiento para el mismo año de hasta 450 millones de dólares, comparados con los 250 millones actuales.

Parte de la razón de este crecimiento esperado es que los dispositivos MEMS y las avanzadas tecnologías de sensores ya no tienen un precio prohibitivo, como ocurría hace pocos años. La calibración, por ejemplo, se realiza actualmente en la fábrica o automáticamente. La miniaturización también juega un papel muy importante. Lo más importante en las aplicaciones de fusión de sensores está en la suma de las ventajas de las partes individuales que cada sensor aporta por sí mismo. Así como se están creando nuevos algoritmos de fusión para proporcionar una precisión cada vez mayor, 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 aplicaciones de este tipo 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 estos 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, la dirección, el movimiento, el tamaño, la 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, la robótica, la electrónica de consumo y muchas aplicaciones más.

La fusión de datos puede darse de diferentes maneras y, generalmente, los 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 dónde 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 en 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, lo que conduce, 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 para 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 y la integración de cinco sensores ST: un giróscopo de dos ejes de 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 completa que se puede utilizar en numerosas aplicaciones, 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 la 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, con aceleración lineal a escala completa de ± 2 g / ± 4 g / ± 8 g, escala magnética configurable de ± 1,3 a ± 8,1 Gauss (máximo) y salida I2C
• LPS001DL: sensor de presión absoluta de 300 a 1100 mbar con salida I2C y barómetro
• STLM75: sensor de temperatura de -55 a +125 °C con interfaz I2C
• Conector extendido para conectividad inalámbrica
• Ranura para tarjeta microSD ™
• Conector COM con las señales RTS y CTS
• Conexión USB 2.0 de máxima velocidad

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