5. maja, 2020

Energetsko učinkovita tipala premikanja s strojnim učenjem

Revija logo rutronik - Energetsko učinkovita tipala premikanja s strojnim učenjemRutronik GmbH
Avtorja: Maria Alejandra Salazar Martinez, Werner Neumann (SMT)
2020_285_31

Za zaznavanje premikov in orientacije v prostoru ter stabilizacijo slike in predmetov so zelo uveljavljene inercialne merilne enote, ki združujejo merilnike pospeška in žiroskop. Največkrat se uporabljajo v mobilnih napravah, kjer je odločilna energetska učinkovitost. Podjetje STMicroelectronics si jo prizadeva zmanjšati (in hkrati izboljšati zaznavanje) z vključitvijo tehnologij strojnega učenja v svoje najnovejše tipalo.

LSM6DSOX iz podjetja STMicroelectronics

Zmanjšanje porabe energije pri inercialnih merilnih enotah (angl. »Inertial Measurement Units« – IMU) je znano nerešeno vprašanje. Njihovo delovanje namreč zahteva pošiljanje ogromnih količin zajetih surovih podatkov ali pa predhodno obdelavo teh podatkov v gostiteljskem mikrokrmilniku, kar oboje zahteva veliko energije.

Ta gordijski vozel so v podjetju ST elegantno rešili z novim tipalom MEMS LSM6DSOX iz družine iNEMO: Združuje namreč jedro za strojno učenje (angl. »Machine Learning Core«) in avtomat s končnim številom stanj (angl. »Finite State Machine« – FSM), ki skupaj razvrščata podatke o premikanju po odločitvenem drevesu na podlagi znanih vzorcev. To pomeni, da glavnemu procesorju ni več treba izvajati te prve stopnje spremljanja dejavnosti. Rezultat: Poraba energije upada, hkrati pa se izboljša prepoznavanje in poveča hitrost obdelave za načine uporabe, kot so naprave za sledenje za fitnes, nadzor telesnega počutja, navigacija ali prepoznavanje padcev za pametne telefone, naprave za nošnjo na telesu ali upravljalnike za igre.

Logika z odločitvenim drevesom za hitro in učinkovito obdelavo
Odločitveno drevo je orodje, ki podpira matematično razlikovanje. Sestavlja ga več konfigurabilnih vozlišč. Na vsakem vozlišču se statistični parameter primerja s pragovno vrednostjo, nato pa se na podlagi rezultata izbere naslednje vozlišče. Ko na koncu pridemo do lista (zadnjega vozlišča drevesa), dobimo s tem rezultat odločitvenega drevesa, ki ga lahko bere določen register naprave.
Odločitveno drevo omogoča tipalu, da z induktivnim algoritmom pridobi rezultate za le majhen del običajne porabe energije. Sistem pa ni sposoben le prepoznave gibov, kot so hoja, tek, kolesarjenje ali mirovanje, ampak tudi šteje na primer dvige uteži, počepe, sklece in druge premike med vadbo – vse na podlagi naučenih vzorcev.

Številka dela Opis
STEVAL-MKI197V1 Prilagodilna plošča za LSM6DSOX za standardno podnožje DIL24
X-NUCLEO-IKS01A2 Razširitvena plošča za Motion MEMS in okoljska tipala za STM32 Nucleo
STEVAL-MKI109V3 Plošča za profesionalna orodja MEMS
STEVAL-MKSBOX1V1

(SensorTile.box)

Pripravljen komplet s platformo za brezžične sisteme IoT in tipala za nošnjo na telesu, ki je namenjen za uporabo ter razvoj aplikacij, ki temeljijo na na daljavo pridobljenih podatkih o premikanju in okolju, ne glede na raven strokovnega znanja.

Tabela: Orodja za preizkušanje

Za doseganje zanesljivih rezultatov je odločilna izbira podatkov: Zbrati je treba podatke, ki karakterizirajo želeni razred premika. Ker je ročno opisovanje teh razredov v programski opremi zelo zapleteno, se v ta namen uporabljajo orodja za strojno učenje, ki programiranje močno poenostavijo. V podjetju ST uporabljajo v ta namen javno dostopno orodje za strojno učenje »Weka« in lastno razvojno okolje, ki pridobljene parametre pretvori v nastavitve registrov tipala. To pomeni, da se mora razvijalec ukvarjati le še s funkcionalnostjo in mu ni več treba izvajati prvega vrednotenja zbranih podatkov.

Napravo LSM6DSOX je mogoče konfigurirati tako, da v njej vzporedno in medsebojno neodvisno deluje do osem odločitvenih dreves.

Programirljive prekinitve
Naprava LSM6DSOX lahko pri določenih premikih, ki jih določi uporabnik, odda prekinitev. V ta namen je mogoče avtomate s končnim številom stanj medsebojno neodvisno programirati za prepoznavo določenega premika, na primer za pogled na prikazovalnik, obrat zapestja, tresenje, dvojno tresenje ali dvig naprave. Vsak od 16 avtomatov ima tako svoj pomnilnik in deluje neodvisno. Prekinitev se sproži, ko je doseženo končno stanje premika. Dodatne konfigurabilne funkcije so določene vnaprej, da sprožijo prekinitve za prosti padec, zaznan premik, 6D/4D-orientacijo, klik in dvojni klik.

Naprava LSM6DSOX je primerna tudi za zaprte regulacijske zanke, na primer za stabilizacijo premikajočih se industrijskih krmilnih sistemov. Poseben primer take uporabe je optično ali elektronsko stabiliziranje slike (OIS in EIS) pri kamerah. Te funkcije so podprte z dodatnim pomožnim izhodom SPI, ki omogoča dostop do podatkov brez registrov FIFO in tako zagotavlja potrebno odzivnost, na primer pri optični stabilizaciji slike.

Vedno razpoložljive funkcije pri nizki porabi energije
LSM6DSOX je sistem v ohišju (angl. »System-in-Package« – SiP), ki združuje mehanski 3D-merilnik pospeška in 3D-žiroskop z namenskim integriranim vezjem (ASIC) s tehnologijo CMOS z nizko porabo v ohišju z mrežasto razporejenimi priključki (angl. »Land Grid Array« – LGA-14L). Njegova merilna območja pospeška znašajo ±2/±4/±8/±16 g, merilna območja kotne hitrosti pa ±125/±250/±500/±1000/±2000°/s in jih je mogoče izbirati dinamično. Način visoke zmogljivosti zagotavlja visoko zmogljivost pri porabi le 0,55 mA. S svojim izredno nizkošumnim merilnikom pospeška in žiroskopom to tipalo kombinira izkušnjo uporabe z vedno razpoložljivimi funkcijami, majhno porabo energije in izredno točnostjo merjenja. Vozlišče za tipala omogoča priključitev dodatnih tipal, na primer magnetometra.

Vse to pomeni, da LSM6DSOX omogoča najrazličnejše načine uporabe – ne le prepoznavanje premikanja, ampak tudi upravljanje uporabniških vmesnikov, zaščito prenosnikov, prepoznavanje vzorcev premikanja in tresljajev za robote ter krmilnike strojev in viličarjev ter celo prepoznavanje premikanja pri letalih, npr. vzleta in pristanka.

Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
www.rutronik.com
Tags: