Fusión de Sensores

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CENTRO DE INVESTIGACION EN COMPUTACION

Fusión de Sensores

Dr. Ponciano Jorge Escamilla Ambrosio [email protected]

http://www.cic.ipn.mx/~pescamilla/

Laboratorio de

Ciberseguridad

CIC

2. Sensors

2.1. Smart sensor

2.2. Logical sensors

2.3. Sensor observation

2.4. Sensor Characteristics

2.5. Sensor Model

2

Probability, Random

Processes and Inference

CIC

Sensores

Clasificación

Principios de operación

Criterios de selección

Acondicionamiento de señal

Calibración

3

Course web site

CIC

4

Sensores y actuadores en un

vehículo autónomo

CIC

5

Sensores y actuadores en un

vehículo autónomo

CIC

6

Sensores y actuadores

Sistema general de adquisición, procesamiento y control

Dargie, W. and Poellabauer, C., “Fundamentals of wireless sensor networks theory and practice”, Wiley, 2010.

CIC

7

Guidance, navigation, and control

(GNC) System

CIC

8

Sistema de control

CIC

9

Que es un sensor?

From: Fraden, J., "Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and

Applications", Fourth Edition, Springer, 2010.

CIC

Un sensor es un dispositivo que recibe un estímulo y

responde con una señal eléctrica [Fraden, 2010].

Un sensor es un dispositivo que cuando es expuesto a

un fenómeno físico (temperatura, desplazamiento,

fuerza, etc.) produce una señal (eléctrica, mecánica,

magnética, etc.) de salida proporcional [Bishop, 2002].

Un sensor es un dispositivo que convierte un fenómeno

físico en una señal eléctrica [Wilson, 2005].

10

Que es un sensor?

CIC

11

Que es un transductor?

Busch-Vishniac, J., “Electromechanical sensors

and actuators”, Springer-Verlag, 1999.

Un transductor es un dispositivo que convierte

una forma de energía a otra forma de energía.

CIC

Un sensor también es un transductor cuando

es sensible a una forma de energía y su

respuesta es en otra forma de energía.

12

Que es un sensor?

CIC

Un sensor puede incorporar varios

transductores y varios tipos de energía.

13

Que es un sensor?

CIC

Pasivos

No requiere de una fuente externa adicional de

energía y directamente genera una señal

eléctrica cuando es expuesto al fenómeno físico

externo

oTermopar, fotodiodo, sensor piezoeléctrico

Activos

Requiere de una fuente externa adicional de

energía para poder operar

oTermistor, galga extensiométrica resistiva

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Sensores: clasificación

CIC

En base a la referencia que utilizan

Sensor absoluto: detecta el fenómeno físico en

referencia a una escala física absoluta

independiente de la condición de medición

oEjemplo: termistor, su resistencia eléctrica

directamente se relaciona a la escala de

temperatura absoluta ˚K.

Sensor relativo: produce una señal que se

relaciona a una referenciad dada

oEjemplo: termopar, tiene que referirse respeto a

una temperatura de referencia o base.

15


CIC

Por sus propiedades y características

16


Material del sensor

Medio de detección utilizado por el sensor

CIC

17


Fenómeno físico de conversión

CIC

18


Campo de aplicación

CIC

19


En base al estímulo físico

CIC

Factores estáticos y dinámicos

Sensor adecuado para medir es parámetro físico

deseado.

oRango

oResolución

oExactitud

oPrecisión

oSensitividad

oZero offset

oLinealidad

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Sensores: criterios de selección

oZero drift

oTiempo de respuesta

oAncho de banda

oResonancia

oTemperatura de operación

oBanda muerta

oRazón señal-ruido

CIC

Usualmente no existe un sensor que

satisfaga todas las especificaciones

deseadas

Consideraciones costo-efectividad

Seleccionar los sensores vistos como parte

de un sistema y no de manera aislada

Hacer una lista corta de los sensores que

satisfagan un numero mayor de las

especificaciones arriba

21


CIC

Selección final en base a:

Tamaño

Nivel de acondicionamiento de señal requerido

Confiabilidad

Robustez

Facilidad de mantenimiento

Costo

22


CIC

23


CIC

24


CIC

Rango (span). El rango o span de un sensor

es la diferencia entre la entrada mínima (o

más negativa) y la máxima que darán un

valor de salida válido.

25

Sensores: Características

CIC

Resolución. La resolución de un sensor es el

mínimo cambio de la entrada necesario para

producir un cambio detectable en la salida.

26


Características:

La resolución se establece bajo determinadas especificaciones.

Se da como: Un valor o un % de FS.

El paso puede variar.

Puede ser: típico, promedio o “peor de los casos”.

Existe la resolución continua o infinitesimal.

Sensores digitales:

División y asignación.

Dada por el número de bits.

Se acompaña con FS o LSB.

CIC

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Sensores analógicos:

Está limitada por los niveles de ruido eléctrico.

Mejor que su contraparte digital.

Ejemplos:

Sensor angular

“Ángulo mínimo 0.5”

“Resolución de 0.181%” para una FS de 270°

Encoder digital de 1024 ppr:

CIC

Sensibilidad. Se define como la razón de

cambio en la salida por cambio en la

entrada.

28


CIC

Error. El error es la diferencia entre un valor

“resultado” y el valor de entrada real.

29


CIC

Error.

30


Clasificación:

Sistemáticos (bias):

Calibración

Adición por intrusión

Sensitividad a otras variables

Aleatorios:

No se puede predecir.

Mismo método e instrumento.

Errores positivos y negativos.

Ruido en la medición.

CIC

Repetivilidad. Se refiere a la capacidad de

un sensor de dar idénticas salidas para la

misma entrada.

31


CIC

Linealidad o exactitud. La exactitud de un

sensor es inversamente proporcional al

error.

Una línea que aproxima la salida proporcionada

por el sensor dado una entrada y obtenida

mediante regresión empleando el método de

mínimos cuadrados, representa la linealidad del

sensor.

Los fabricantes especifican la exactitud en

términos de la linealidad del sensor.

32


CIC

La linealidad (o exactitud) se expresa como un

porcentaje de FS, o como un porcentaje de la

lectura del sensor.

33


CIC

Precisión: Cantidad que caracteriza la

capacidad de un instrumento de medición de

dar la misma lectura cuando mediciones

repetidas son hechas sobre la misma

cantidad bajo las mismas condiciones, sin

considerar la diferencia con el valor real.

34


CIC

Exactitud: Cantidad que caracteriza la

capacidad de un instrumento de medición

para dar resultados cercanos al valor real de

la cantidad medida (el cual es obtenido por

una medición perfecta o ideal y por

naturaleza son indeterminados).

35


CIC

36


CIC

Función de transferencia. Es la relación

entre la entrada y la salida.

Tabla.

Gráfico.

Función.

Solución a una ecuación.

Invariante en el tiempo

37


CIC

Función de transferencia.

Estímulo s

Respuesta al estímulo S = f(s)

Función de transferencia invertida s = F(S)

38


S = f(s) n = f(s)

CIC

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Smart sensor

A smart sensor is a hardware/software

device that comprises in a compact small

unit a sensor element, a micro-controller, a

communication controller and the associated

software for signal conditioning, calibration,

diagnostic tests and communication.

CIC

40

Smart sensor

The smart sensor transforms the raw sensor signal

to a standardized digital representation, checks and

calibrates the signal, and transmits this digital signal

to the outside world via a standardized interface

using a standardized communication protocol.

CIC

41

Smart sensor

A “smart sensor” only becomes really “smart”

when the tight integration of sensing and

processing results in an adaptive sensing

system that can react to environmental

conditions and consistently deliver useful

measurements even under the harshest

conditions.

Brajovic, V., Kanade, T.: When are the Smart Vision Sensors Smart? An example of an illumination-adaptive image sensor. Sensor Rev. 24, 156–166 (2004)

CIC

A logical sensor is defined as any device

which functions as a source of information

for a multi-sensor data fusion node. Thus a

logical sensor encompass both physical

sensors and any fusion node whose output is

subsequently fed into another fusion node.

42

Logical Sensor

CIC

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Logical Sensor

Documents

Fusión de Sensores