密集傳感器的設(shè)計(jì)
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用戶從這些超級(jí)計(jì)算應(yīng)用系統(tǒng)中獲得的經(jīng)驗(yàn)為他們了提供必要的洞察能力，使未來嵌入控制系統(tǒng)能夠在實(shí)時(shí)情況下完成更加復(fù)雜的檢測與決策工作。隨著微處理器與傳感器價(jià)格的不斷下滑，自動(dòng)系統(tǒng)與半自動(dòng)系統(tǒng)都可以包含更多的智能，根據(jù)對(duì)自身內(nèi)部狀況以及當(dāng)時(shí)外部環(huán)境的更好了解，作出更優(yōu)化的決策。為一個(gè)設(shè)計(jì)增加傳感器，并將所有這些傳感器的數(shù)據(jù)作智能關(guān)聯(lián)處理，這些都會(huì)帶來更多的設(shè)計(jì)時(shí)間成本與復(fù)雜性，但各個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)仍在日益接受這種成本，因?yàn)闄?quán)衡的結(jié)果可以是一個(gè)差異化的系統(tǒng)，它能更有效地提供更多功能，而價(jià)格則與前代設(shè)計(jì)不相上下。
嵌入設(shè)計(jì)中使用傳感器并不新鮮。不同的是設(shè)計(jì)中正在集成越來越多的傳感器和處理器，從高端的自動(dòng)化系統(tǒng)，到批量生產(chǎn)的消費(fèi)產(chǎn)品。隨著傳感器與處理器的不斷降價(jià)，替代機(jī)械控制結(jié)構(gòu)的門檻也在持續(xù)變化。如何對(duì)處理作分割，實(shí)現(xiàn)相同系統(tǒng)中多個(gè)傳感器的關(guān)聯(lián)，這一任務(wù)遠(yuǎn)超出了機(jī)械替代的范疇，以至于供應(yīng)商經(jīng)常會(huì)把自己的方案看作專有的信息，因?yàn)閭鞲衅髋c處理算法正確組合的選擇可以實(shí)現(xiàn)更低的物料成本、更高的能效，以及更佳的系統(tǒng)性能。
DARPA（美國國防高級(jí)研究項(xiàng)目署）城市挑戰(zhàn)賽以及無人車輛挑戰(zhàn)賽都強(qiáng)有力地證明，裝有大量傳感器的全自動(dòng)車輛可以在各自的環(huán)境內(nèi)實(shí)現(xiàn)探測、解析、預(yù)測、交互和移動(dòng)（參考文獻(xiàn) 1）。挑戰(zhàn)賽表明，自動(dòng)車輛僅僅依靠各種板載傳感器與定位系統(tǒng)，就可以完全靠自身作駕駛及導(dǎo)航，無需遙控或人類駕駛者（參考文獻(xiàn) 2）。不過，在這些挑戰(zhàn)賽中，其管理員要給自動(dòng)車輛裝入一個(gè)目標(biāo)的 GPS（全球定位系統(tǒng)）位置清單，指示他們要去的地點(diǎn)。它們自己不會(huì)決定去哪里，或到達(dá)那些點(diǎn)的次序；他們只知道要從當(dāng)前位置到達(dá)清單中的各個(gè)點(diǎn)。
DARPA 城市挑戰(zhàn)賽于 2007 年 11 月 3 日舉辦，它要求自動(dòng)車輛在城市交通路況下，與其它有人駕駛和無人駕駛車輛一起行駛，以證明它們可以安全地完成復(fù)雜機(jī)動(dòng)，如并道、超車、停車，以及穿過路口。六個(gè)小組成功地完成了 DRAPA 城市挑戰(zhàn)預(yù)賽。獲獎(jiǎng)車輛來自 Tartan 賽車隊(duì)，它除了慣性 GPS/IMU（慣性測量單元）傳感器以外，還使用了七只激光雷達(dá)（光探測與測距）、雷達(dá)（射頻探測與測距）和視覺傳感器（參考文獻(xiàn) 3）。傳感器的選擇支持用于算法規(guī)劃的數(shù)據(jù)融合，以及通過傳感器的交疊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余與關(guān)聯(lián)。
機(jī)器人是一類有大量傳感器、正在發(fā)展中的自動(dòng)系統(tǒng)。例如，Boston Dynamics 公司有多種機(jī)器人，如遙控的 BigDog，它可以依據(jù)自己的傳感器和板載控制系統(tǒng)，穿越艱難地形（包括冰面），并在遇到困難時(shí)回撤。BigDog 的運(yùn)動(dòng)傳感器包括：聯(lián)結(jié)位置、聯(lián)結(jié)力、接地觸點(diǎn)、接地負(fù)載、一個(gè)激光陀螺儀，以及一個(gè)立體視覺系統(tǒng)。其它傳感器主要針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的健康狀況，監(jiān)控液壓、油溫、引擎溫度、每秒轉(zhuǎn)速以及電池充電等。供應(yīng)商 iRobot 亦提供多種型號(hào)的機(jī)器人，包括消費(fèi)級(jí)的吸塵機(jī)器人，如 Roomba。Roomba 使用了多個(gè) IR（紅外）傳感器，直接（或通過機(jī)械翼）檢測所處環(huán)境（參考文獻(xiàn) 4）。
半自動(dòng)系統(tǒng)是密集傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域。高端是電傳飛控飛機(jī)與汽車，而在低端，消費(fèi)家電正在出現(xiàn)顯著增長，如洗衣機(jī)。半自動(dòng)系統(tǒng)會(huì)從人類操作者獲得高級(jí)指示，但要負(fù)責(zé)管理所需監(jiān)控系統(tǒng)的低層操作細(xì)節(jié)。在足夠?qū)挿旱慕忉屜?，多?shù)嵌入系統(tǒng)都可歸到這個(gè)類別，這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者也許能從其它傳感器設(shè)計(jì)或數(shù)據(jù)豐富的設(shè)計(jì)中獲取知識(shí)（見附文《超級(jí)計(jì)算》）。
復(fù)雜的遙控系統(tǒng)（如 BigDog）必須對(duì)其環(huán)境與狀況作出即時(shí)的自動(dòng)響應(yīng)，部分原因是一個(gè)遙控接口不足以提供充足的數(shù)據(jù)帶寬和反饋接口，操作者無法用多個(gè)調(diào)整命令使系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇實(shí)現(xiàn)一種半自動(dòng)子系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使其比多數(shù)操作者手動(dòng)完成相同任務(wù)要更快、更好。
飛機(jī)使用的半自動(dòng)電傳飛控系統(tǒng)用電氣接口代替了飛行員與飛機(jī)之間的物理控制。控制系統(tǒng)接收飛行員的命令，然后根據(jù)傳感器的讀數(shù)，決定致動(dòng)器的最佳行動(dòng)，在每個(gè)控制點(diǎn)做出最理想的動(dòng)作。這種情況下，最聰明的控制系統(tǒng)要使飛行員的注意力集中在飛機(jī)的高級(jí)控制上，而由飛控系統(tǒng)去管理每個(gè)子系統(tǒng)的底層控制；這種方案使飛行員能騰出有價(jià)值的認(rèn)知周期，關(guān)注周圍那些飛控系統(tǒng)無法補(bǔ)償?shù)膯栴}。
汽車也正在日益采用這種高、低層劃分的控制，它處于駕駛員與車載控制子系統(tǒng)之間，使它們更安全和更高效（參考文獻(xiàn) 5）。汽車內(nèi)自動(dòng)子系統(tǒng)的例子包括剎車防抱死系統(tǒng)、電子穩(wěn)定控制、牽引控制、偏航控制，以及碰撞緩解系統(tǒng)，如智能約束系統(tǒng)和氣囊。在不同環(huán)境下，駕駛員可能并不能感受到這些控制系統(tǒng)。
汽車引擎管理系統(tǒng)展示了一種有密集傳感器的半自動(dòng)嵌入子系統(tǒng)（圖 1）。除了監(jiān)控駕駛員的踏板接口，系統(tǒng)還會(huì)跟蹤很多其它內(nèi)部數(shù)據(jù)點(diǎn)，如溫度、壓力，以及系統(tǒng)內(nèi)空氣、燃料與廢氣的化學(xué)組成，并與其它傳感器進(jìn)一步聯(lián)合測量點(diǎn)火、敲缸，以及曲軸位置，從而優(yōu)化引擎的輸出功率、燃油效率、排放性能，以及駕駛體驗(yàn)，甚至適應(yīng)替代燃料。
評(píng)論