隨著高質(zhì)量的傳感器日益普及，并結(jié)合可靠的連接能力和數(shù)據(jù)分析，創(chuàng)造了新的工業(yè)效率，同時(shí)也使得這些智慧節(jié)點(diǎn)越來越具有自主性和移動(dòng)化。在許多情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精密的動(dòng)作擷取與定位追蹤，成為應(yīng)用是否成功的主要核心。

例如，智慧農(nóng)場可以利用自動(dòng)化的地面與空中交通工具，依據(jù)豐富的地理位置定位(geolocation)傳感器內(nèi)容與分析學(xué)習(xí)，更有效率的指引地面作業(yè)。智能手術(shù)室將典型的導(dǎo)航技術(shù)帶到手術(shù)臺(tái)上，采用傳感器融合的精密導(dǎo)引機(jī)械手臂，確保在所有情況下都能夠精確的指引。在許多領(lǐng)域中，以動(dòng)作為基礎(chǔ)的傳感器能讓移動(dòng)應(yīng)用的價(jià)值得到加乘效果。

消費(fèi)型慣性傳感器應(yīng)用已廣泛用于智能手機(jī)中，但也造成使用者普遍認(rèn)為其準(zhǔn)確度差強(qiáng)人意;因此，迄今為止，在推動(dòng)“可移動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)”(Internet of Moving Things;IoMT)概念上一直成效不彰。然而，新世代的高效能工業(yè)傳感器能夠支持分度(sub-gegree)指向精確度與精密的地理位置定位，同時(shí)提供必要的尺寸與成本效率，而且正開始致力于推動(dòng)IoMT的發(fā)展。

工業(yè)系統(tǒng)中的智能感測驅(qū)動(dòng)力

工業(yè)機(jī)械與制程中最有價(jià)值的進(jìn)展就是專注于有形的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)點(diǎn)，而其通常會(huì)帶來設(shè)計(jì)與實(shí)作上的挑戰(zhàn)，另一方面也進(jìn)而轉(zhuǎn)化為新的解決方案與商業(yè)模式。目前有三種這一類型的系統(tǒng)級(jí)驅(qū)動(dòng)力，都是為了追求資源效率、臨界精確度以及提升安全性而設(shè)計(jì)。著眼于這些增強(qiáng)功能的應(yīng)用分布在不同的產(chǎn)業(yè)，橫跨空中/陸地/海洋、室內(nèi)/室外、短期/長期以及人類/機(jī)械等方面，但無論如何，這些應(yīng)用領(lǐng)域都仰賴于共同的屬性;也就是精確度、可靠度、安全性以及智慧處理與分析。

具有多種類型的傳感器成為目標(biāo)應(yīng)用設(shè)計(jì)任務(wù)的核心。然而，為了因應(yīng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)復(fù)雜度，開發(fā)者必須在廣泛變化的情況中謹(jǐn)慎考慮傳感器的質(zhì)量與耐用度。雖然有些產(chǎn)業(yè)可以基于方便性選擇傳感器(例如，利用手機(jī)中既有的傳感器套件)，但是其他產(chǎn)業(yè)會(huì)從頭開始定義傳感器套件，并依據(jù)精密度加以挑選，再以智慧化的方式進(jìn)行整合，以實(shí)現(xiàn)完整可靠且涵蓋所有預(yù)期的系統(tǒng)狀態(tài)。

智慧感測

這些智能且可存取的系統(tǒng)藉由傳感器豐富的情境架構(gòu)，徹底改變了原本已經(jīng)成熟的產(chǎn)業(yè)，讓農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型為智慧農(nóng)業(yè)，基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)為智能基礎(chǔ)設(shè)施，城市過渡至智慧城市。當(dāng)為了收集與環(huán)境相關(guān)的情境信息而部署更多的傳感器時(shí)，對于要求跨平臺(tái)與跨時(shí)間融合(例如，針對去年作物產(chǎn)量或交通狀況與模式等基礎(chǔ)架構(gòu)，透過云端分析其如何隨時(shí)間進(jìn)展)的數(shù)據(jù)庫管理與通訊(而非單純傳感器對傳感器)也帶來了新的復(fù)雜度

對于能夠從設(shè)備與環(huán)境中可靠擷取信息的解決方案，成為這些創(chuàng)新企業(yè)最終效用與成長的主要衡量依據(jù)。準(zhǔn)確度帶動(dòng)效率，并轉(zhuǎn)化為必要的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，同時(shí)也是安全與可靠作業(yè)的核心。雖然增加簡單的特點(diǎn)對于最基本的傳感器而言并不難，但是這種最小附加價(jià)值對于目標(biāo)IoMT應(yīng)用(其中的是/否、上/下或開/關(guān)等接口都會(huì)被更精密的解決方案取代)以及對傳感器選擇的附加影響而言其實(shí)都是不足的。

“動(dòng)作”至關(guān)重要

在大多數(shù)情況下，物聯(lián)網(wǎng)是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。即使它不在動(dòng)態(tài)時(shí)(例如固定式工業(yè)安全攝影機(jī))，精準(zhǔn)指向仍然至關(guān)重要，或者意識(shí)到出現(xiàn)不想要的動(dòng)作(如竄改)也具有價(jià)值。以采用光學(xué)負(fù)載擷取作物影像的無人機(jī)而言，假如可以在嚴(yán)苛的飛行狀況下維持精確的指向角度，就能更快提供較佳的結(jié)果，而且，如果光學(xué)數(shù)據(jù)能夠精確地套用地理映像，還能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)與趨勢的歷史比較。

智能交通工具(無論是地面、空中或是海上)越來越依賴GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。然而，無論是蓄意或是自然的因素(建筑物、樹木、隧道等等)，GPS所受到的威脅也日益嚴(yán)重。如果選擇精確的傳感器，就能在中斷運(yùn)作期間以更多傳感器進(jìn)行可靠的航位推算(dead reckon)。

假如有特定的機(jī)會(huì)與方法能擷取設(shè)備或人的自然慣性，那么就能增強(qiáng)所擷取系統(tǒng)狀態(tài)的知識(shí)重要性，而且可以恰當(dāng)?shù)厝诤系郊扔械那榫承畔⒅小?/p>

可靠且安全的IoMT節(jié)點(diǎn)

IoMT節(jié)點(diǎn)輸出的有效性與價(jià)值最為仰賴的就是核心傳感器的質(zhì)量，以及其以高傳真度擷取應(yīng)用情境架構(gòu)的能力。其次，對于持續(xù)的傳感器校正/增強(qiáng)以及理想的傳感器對傳感器狀態(tài)等動(dòng)態(tài)(例如，在任意特定時(shí)間點(diǎn)，哪一個(gè)傳感器最可靠)而言，融合處理是必要的。應(yīng)用級(jí)的處理被分層至解決方案中，并且針對環(huán)境的細(xì)節(jié)(包括適當(dāng)?shù)南拗茥l件)進(jìn)行優(yōu)化。雖然這些節(jié)點(diǎn)分別具有自主性，但在某些狀況中會(huì)協(xié)同運(yùn)作，例如在地面或空中集結(jié)成群的無人駕駛車輛等。這些情況中都會(huì)部署安全的通信鏈接，并且加強(qiáng)可靠的傳輸以及受到保護(hù)的獨(dú)特身份等。

位于自主核心的傳感器

就像人體一樣，自主性IoMT節(jié)點(diǎn)仰賴多重感測輸入，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立移動(dòng)所需要的意識(shí)，并為將其隨機(jī)或甚至是混亂的事件進(jìn)行優(yōu)化，最終隨著時(shí)間而予以改善。由基本量測轉(zhuǎn)換成控制或是自主性，都必須在傳感器合并層級(jí)與嵌入式智慧方面提高精密度。由于這些節(jié)點(diǎn)具備高層次的互連與自主學(xué)習(xí)能力，它們正朝向人體與機(jī)器聚合的方向發(fā)展。

無需基礎(chǔ)架構(gòu)的定位途徑

GPS無所不在，除非衛(wèi)星訊受阻或是停止運(yùn)作。如果能順利存取的話，可以實(shí)現(xiàn)極其精密的無線測距技術(shù)。如果能不受到干擾的話，磁場讀數(shù)會(huì)一直存在著。慣性也可以獨(dú)立自主作業(yè)。很顯然的，慣性MEMS傳感器存在自身的不足(漂移)，但這些問題都是可以管控的，而且新世代的工業(yè)慣性測量單元(IMU)以小巧又具有成本效益的封裝提供了前所未有的穩(wěn)定度。

慣性MEMS組件采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制程、精密的封裝以及整合方案，藉以直接感測、測量與解譯其動(dòng)作，它通常是以線性加速度(g)或是角度旋轉(zhuǎn)(°/秒或速率)的形式呈現(xiàn)。因?yàn)閹缀跛械睦硐霊?yīng)用都具有所謂的多重自由度(事實(shí)上，動(dòng)作能在任何以及所有軸上發(fā)生，而設(shè)備在其動(dòng)作中則相對不受限制)，所以，g與速率的測量必須分別針對x、y與z軸進(jìn)行擷取;或是在某些狀況下稱為滾動(dòng)、俯仰與偏航軸。將這些結(jié)合起來，有時(shí)候可被稱為6自由度慣性量測單元。

雖然經(jīng)濟(jì)因素很自然地驅(qū)使MEMS設(shè)計(jì)者采用最少的芯片空間，在每個(gè)軸(x、y、z)上擷取多重感測類型(g，速率)，但是為了滿足更具挑戰(zhàn)性的工業(yè)感測規(guī)范，刻意采用更平衡設(shè)計(jì)性能的觀點(diǎn)是有必要的。事實(shí)上，有些MEMS結(jié)構(gòu)嘗試以單一MEMS質(zhì)量測量這六種模式。在檢查這類方案進(jìn)行高性能感測的有效性之前，很重要的一點(diǎn)是先了解即使必須使用MEMS組件擷取動(dòng)作數(shù)據(jù)，但是，同樣的組件是否能夠排除會(huì)被解譯為其他型式的錯(cuò)誤動(dòng)作，這點(diǎn)也是同等重要的。舉例來說，當(dāng)陀螺儀在量測角速率時(shí)，應(yīng)該也要能夠忽略加速度或是重力對于角速率量測的影響。試圖以小巧結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種測量的簡單MEMS組件，很自然地(在設(shè)計(jì)上)也會(huì)受到其它干擾的誤差來源所影響，因而無法分辨需要與不需要的動(dòng)作。最終，這將會(huì)在導(dǎo)航或是指向應(yīng)用中轉(zhuǎn)化為噪聲和誤差。

對于在必要時(shí)提供所承諾的寶貴資源效率、安全增強(qiáng)或是臨界精確度的IoMT來說，它所需要的精密度比目前移動(dòng)裝置中無所不在的簡單傳感器更高。針對性能的設(shè)計(jì)可轉(zhuǎn)化為分別為每一種感測模式與每個(gè)感測軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，但必須以融合與整合的方向進(jìn)行。最后，重要的一點(diǎn)是必須了解：針對性能的設(shè)計(jì)，并不需要以犧牲成本效益的設(shè)計(jì)做為代價(jià)。

特點(diǎn)或性能

有些應(yīng)用可能只是意味著增加特點(diǎn)(以裝置的姿勢/方向切換模式)的實(shí)質(zhì)價(jià)值，而這些特點(diǎn)透過簡單的MEMS組件就能輕易地?cái)X取。工業(yè)或是專業(yè)裝置或許更易于測量價(jià)值，因?yàn)榫邆淞硕鄠€(gè)方向精確度與次級(jí)之間的差異，或是更高一個(gè)數(shù)量級(jí)的精確位置辨認(rèn)能力，而且又可以在高振動(dòng)環(huán)境下運(yùn)作。低階與高階傳感器之間的性能差異并非十分微小，事實(shí)上其差異大到在挑選組件時(shí)必須確保經(jīng)過謹(jǐn)慎的考慮。

終端應(yīng)用將會(huì)決定所需的精確程度，而所挑選的傳感器質(zhì)量則將會(huì)決定是否能達(dá)成目標(biāo)。表5比較兩種解決方案，顯示傳感器挑選的重要性不僅只針對設(shè)計(jì)的過程，同時(shí)也影響設(shè)備的精密度。低精密度傳感器如果只在有限的情況使用，而且應(yīng)用裝置具有容錯(cuò)能力，那么它或許是適用的;換個(gè)方式說，它適用于無關(guān)乎安全性、無性命攸關(guān)，或是相對精密度不需要太高即已足夠的情況。雖然大部份的消費(fèi)級(jí)傳感器具有低噪聲，而且可在良好條件下充份的運(yùn)作，但并不適用于處在動(dòng)態(tài)動(dòng)作(包括振動(dòng))中的機(jī)械，因?yàn)樵诘托阅軕T性量測單元中無法將其所需要的部份從簡單的線性加速度或是傾斜測量中分離出來。為了在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)作時(shí)具有優(yōu)于一度以上的精確度，傳感器挑選的重點(diǎn)在于能針對來自振動(dòng)或溫度影響造成的漂移進(jìn)行拒斥的設(shè)計(jì)。像這樣的高精密度傳感器才能支持更大范圍的預(yù)期應(yīng)用狀態(tài)，而且可以經(jīng)歷更長的使用時(shí)間。

精密儀器的設(shè)計(jì)者通常最感興趣的就是使用慣性量測單元，因?yàn)槠漭敵鍪墙?jīng)過校正的g以及速率，而非行進(jìn)的角度或是距離，因?yàn)榇讼到y(tǒng)級(jí)信息是高度應(yīng)用特定的，因此也成為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)者(而非慣性傳感器設(shè)計(jì)者)所專注的活動(dòng)。在此所產(chǎn)生的課題在于辨識(shí)，例如慣性傳感器規(guī)格表中的指向精確度。

中階工業(yè)組件的規(guī)格被拿來與手機(jī)中常見的典型消費(fèi)型傳感器做比較。值得一提的是更高階的工業(yè)組件也是可以取得的，其規(guī)格較此處所列舉的更優(yōu)一個(gè)數(shù)量級(jí)。最低階的消費(fèi)組件提供的參數(shù)規(guī)格并不包括線性加速度效應(yīng)、振動(dòng)校正、角度隨機(jī)游走等參數(shù)，以及其它實(shí)際上可能是工業(yè)應(yīng)用中最大誤差來源的參數(shù)。

該工業(yè)傳感器樣本是針對在預(yù)期相對快速或是極端運(yùn)動(dòng)(2000°/s，40g)的方案中使用而設(shè)計(jì)的，而在這種狀況下如果要實(shí)現(xiàn)最佳的訊號(hào)辨識(shí)，廣大帶寬的傳感器輸出也極為重要。運(yùn)作期間偏移的最小漂移(運(yùn)作穩(wěn)定度)是希望減少對較大互補(bǔ)傳感器的依賴，以修正性能。而在某些情況下，在無法提供后端系統(tǒng)濾波修正所需時(shí)間的應(yīng)用中，啟動(dòng)漂移的最小化(重復(fù)性)也是極為重要的。低噪聲加速度計(jì)被用來與陀螺儀搭配，協(xié)助分辨與修正任何與重力相關(guān)的漂移。

陀螺儀傳感器實(shí)際上已經(jīng)被設(shè)計(jì)成能夠直接消除任何在組件偏移上重力事件(如振動(dòng)、沖擊、加速度、重力)的影響，以線性g的方式提供了實(shí)質(zhì)上的優(yōu)勢，并且透過校正使溫度漂移與校準(zhǔn)獲得了修正。如果沒有校準(zhǔn)修正，即便是整合到單芯片結(jié)構(gòu)當(dāng)中的典型多軸MEMS組件，也可能無法對準(zhǔn)而成為誤差預(yù)算主要原因。

雖然近年來噪聲已經(jīng)不再是判別傳感器類型的主要因素，但像是線性g效應(yīng)以及未校準(zhǔn)之類的參數(shù)已經(jīng)成為在任何應(yīng)用中使噪聲增加的來源，無論是透過芯片設(shè)計(jì)方案或是零件特定的校正來加以改善都是最耗費(fèi)成本的，而非簡單或是相對靜態(tài)的動(dòng)作判定。

傳感器融合能解決傳感器質(zhì)量差的問題嗎?

簡單的說，不能。傳感器融合是能夠合并與管理傳感器結(jié)合的濾波功能與算法，與環(huán)境、動(dòng)作動(dòng)力學(xué)以及應(yīng)用狀態(tài)有關(guān)。它可以提供確定性的校正像是溫度補(bǔ)償，而且能依據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)知識(shí)，管理從一個(gè)傳感器到另一個(gè)傳感器的協(xié)調(diào)管制。然而，它無法修正傳感器中的原生缺陷。

在傳感器融合設(shè)計(jì)中最具關(guān)鍵性的任務(wù)，首要就是開發(fā)應(yīng)用狀態(tài)的深度知識(shí)，藉以驅(qū)動(dòng)其它的設(shè)計(jì)程序。接下來是針對特定應(yīng)用裝置挑選適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎@需要透過詳細(xì)的分析以了解它們在總體任務(wù)不同階段中的權(quán)重(相關(guān)性)。在行人定位推算的范例中，解決方案主要受到現(xiàn)有設(shè)備(例如智能手機(jī)中的嵌入式傳感器)的限制，而非因?yàn)樾阅茉O(shè)計(jì)所導(dǎo)致。因?yàn)檫@個(gè)緣故而會(huì)變得相當(dāng)仰賴GPS與其它現(xiàn)有的嵌入式慣性或磁性之類的傳感器，其對于判定有效位置信息的任務(wù)只能夠提供很少量的貢獻(xiàn)。這在戶外很自然地可以運(yùn)作，但是在充滿挑戰(zhàn)性的城市環(huán)境或室內(nèi)時(shí)，GPS無法使用，而其它可用傳感器的質(zhì)量不佳，于是就會(huì)留下一個(gè)很大的差距，或者換個(gè)方式說，就是位置信息質(zhì)量的不確定性。雖然先進(jìn)的濾波器以及算法通常會(huì)被用來合并這些傳感器，因而不需要額外的傳感器或是更高質(zhì)量的傳感器，但是想要實(shí)質(zhì)上的填補(bǔ)不確定性差距，軟件所能做到的其實(shí)也只有微乎其微，最終則會(huì)顯著的降低回報(bào)位置的可信度。

與之形成鮮明對比的是，工業(yè)航位推算方案是針對具有系統(tǒng)定義的性能而設(shè)計(jì)的，并依特定的精確度需求指示而進(jìn)行組件選擇。很明顯的，質(zhì)量較佳的慣性傳感器具有擔(dān)任主要角色的資格，其它傳感器則必須謹(jǐn)慎利用，以便降低不確定性差距。算法在概念上則更專注于傳感器之間的優(yōu)化權(quán)重、協(xié)調(diào)管制以及交叉相關(guān)，以及環(huán)境意識(shí)與實(shí)時(shí)動(dòng)作動(dòng)力學(xué)，而不只是在可靠的傳感器讀數(shù)之間外推/估計(jì)位置。

不論是哪一種情況，精確度都可以藉由質(zhì)量改善的傳感器而獲得加強(qiáng)，雖然傳感器過濾功能與算法是解決方案的重要部份，但它們本身無法消除因有限傳感器覆蓋范圍造成的差距。

新型工業(yè)傳感器具備了幾乎等同于前一代用來導(dǎo)引飛彈的傳感器性能。它利用了原本是為了車用裝置可靠度與精密度而設(shè)想的傳感器架構(gòu)，以及經(jīng)濟(jì)上可行且能擴(kuò)展的制程，使這些新世代工業(yè)傳感器在性價(jià)比與性能尺寸比方面是完全獨(dú)一無二的。

精密的動(dòng)作感測不再孤立于利基應(yīng)用，而只能投資于其他昂貴的追蹤解決方案。憑借采用迷你IMU尺寸的工業(yè)級(jí)精密度，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)者現(xiàn)在可以透過整合高質(zhì)量的動(dòng)作感測并結(jié)合嵌入式情境感知以加乘其所提供的價(jià)值，從而驅(qū)動(dòng)IoMT進(jìn)展。