新的數學工具可以為工作選擇最佳的傳感器

2020-09-18 工程學習

在2019年的波音737 Max墜機事故中，餘波恢復後的黑匣子暗示壓力傳感器故障可能導致命運不佳的飛機俯衝。此事件和其他事件引發了關於傳感器選擇，數量和位置的更大爭論，以防止此類悲劇再次發生。

德州農工大學的研究人員現已開發出一個全面的數學框架，可以幫助工程師做出明智的決定，以決定使用哪種傳感器以及它們在飛機和其他機器中的位置。

副教授Raktim Bhattacharya博士說：「在任何控制系統的早期設計階段，都必須做出關鍵決策，以決定使用哪種傳感器以及將傳感器放置在何處，以便對系統進行優化以測量特定的物理量。」在航空航天工程系。「藉助我們的數學公式，工程師可以為模型提供需要感知的信息和精度的信息，並且模型的輸出將是所需最少的傳感器及其精度。」

研究人員在6月出版的《電氣電子工程師學會控制系統快報》中詳細介紹了他們的數學框架。

無論是汽車還是飛機，複雜的系統都有需要測量的內部屬性。例如，在一架飛機中，用於角速度和加速度的傳感器被放置在特定位置以估計速度。

傳感器也可以具有不同的精度。用技術術語來說，精度是通過傳感器測量中的噪聲或擺動來測量的。這種噪聲影響內部特性的預測準確度。但是，精度可能會因系統和應用程式而有所不同。例如，某些系統可能要求預測中的噪聲不超過特定數量，而其他系統可能需要噪聲的平方儘可能小。在所有情況下，預測精度都會直接影響傳感器的成本。

Bhattacharya說：「如果要獲得兩倍的傳感器精度，則成本可能會增加一倍以上。」 「此外，在某些情況下，甚至不需要很高的精度。例如，不需要昂貴的用於檢測物體的4K HD車載攝像頭，因為首先，不需要精細的功能來將人與其他汽車區分開，其次，對數據的處理需要高清晰度。高清攝像機成為一個問題。」

Bhattacharya補充說，即使傳感器非常精確，知道放置傳感器的位置也是至關重要的，因為可能會將昂貴的傳感器放置在不需要的位置。因此，他說，理想的解決方案通過優化傳感器的數量及其位置來平衡成本和精度。

為了檢驗這一原理，Bhattacharya和他的團隊使用描述了F-16飛機模型的一組方程式設計了數學模型。在他們的研究中，研究人員的目的是估算前進速度，相對於飛機的風向角（迎角），飛機指向的位置與水平線之間的夾角（俯仰角）和俯仰角這架飛機的價格。他們可以使用飛機上通常用於測量加速度，角速度，俯仰速率，壓力和迎角的傳感器。此外，還為模型提供了每個傳感器的預期精度。

他們的模型表明，並不需要所有傳感器來精確估計前進速度。角速度傳感器和壓力傳感器的讀數就足夠了。而且，這些傳感器足以估計其他物理狀態，例如迎角，從而無需額外的迎角傳感器。實際上，這些傳感器儘管是測量迎角的替代物，但具有在系統中引入冗餘的效果，從而提高了系統的可靠性。

Bhattacharya說，該數學框架經過精心設計，因此即使它配備了多種傳感器供選擇，它也始終指示所需的最少傳感器。

他說：「讓設計人員想將每種類型的傳感器都放置在任何地方。我們的數學模型的優點在於，它將取出不必要的傳感器，然後為您提供所需的最少數量的傳感器及其位置。」

此外，研究人員指出，儘管該研究是從航空航天工程的角度進行的，但他們的數學模型非常籠統，並且也會影響其他系統。

Bhattacharya說：「隨著工程系統變得越來越大和越來越複雜，將傳感器放置在何處的問題變得越來越困難。」 「因此，例如，如果您要建造一個非常長的風力渦輪機葉片，則需要使用傳感器來評估系統的某些物理屬性，並且需要將這些傳感器放置在最佳位置以確保結構不會失效。這是不平凡的，這就是我們數學框架的用武之地。」

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