השתמשו ב-Edge AI כדי להאריך את חיי הסוללה בניטור מנוע אלחוטי

בינה מלאכותית (AI) זכתה לתשומת לב רבה. בין היישומים הרבים שלה הוא הקצה (Edge‏), שם הוא יכול לשפר ניטור מבוסס-תנאים (CbM) של רובוטיקה, מכונות מסתובבות והמנועים שלהן. נתמך על ידי דיווח אלחוטי, הוא יכול לנתח נתונים קריטיים הקשורים לתקינות ולביצועים של מכונה לצורך תחזוקה חזויה ולשלוח התרעות לפי הצורך. ביצוע פונקציית ניטור זו בקצה מפחית את צריכת ההספק ואת השיהוי תוך אפשור שימוש אופטימלי ברוחב פס האלחוט הזמין.

מערכת יעילה המבצעת פונקציית AI CbM קצה זו דורשת סט של רכיבים התומכים במספר כניסות חיישנים, כולל מדי תאוצה, מעבדי AI וניהול צריכת ההספק אשר נבחר ומשולב בקפידה.

מאמר זה בוחן את אתגר ניטור מנוע. לאחר מכן הוא מציג דוגמה מעשית של AI‏ קצה המבצע פונקציה זו באמצעות ICs אנלוגיים, דיגיטליים ואותות מעורבים של Analog Devices‏. הוא מציג את התכן, הפונקציונליות והמבנה של מערכת מקיפה מוזנת-סוללות באמצעות ערכת הערכת רעידות המחוברת אלחוטית.

אתגר ניטור מנוע

תחזוקה חזויה ממוקדת הנעשית בשלב מוקדם של מחזור החיים של המכונה מפחיתה את הסיכון להשבתת הייצור. היא מניבה אמינות משופרת, חיסכון משמעותי בעלויות ופרודוקטיביות מוגברת על רצפת המפעל.

רעידות הן הנפוצות ויקרות-הערך ביותר מבין פרמטרי המכונות המסתובבות הרבות שניתן לנטר. אמנם לא קשה למדוד רעידות, אך שימוש ודיווח בנתונים אלה בצורה משמעותית הם אתגרים הדורשים ניתוח נתונים, אלגוריתמים מתקדמים ושיטת חיבוריות יעילה. כל זה חייב להתבצע תוך צריכת מינימום הספק כדי למקסם את חיי הסוללה.

למטרה זו Analog Devices פיתחה את ערכת הערכת הרעידות האלחוטית EV-CBM-VOYAGER4-1Z Voyager4‏ (איור 1). ערכה זו היא פלטפורמה מקיפה לניטור רעידות עם צריכת הספק נמוכה, המאפשרת למתכננים לפרוס במהירות פתרון אלחוטי למכונה או למערך בדיקה. היא משתמשת באלגוריתם AI קצה כדי לזהות התנהגות מנוע חריגה ולהפעיל קריאה לדיאגנוסטיקה ותחזוקה של המכונה.

איור 1: ערכת הערכת רעידות אלחוטית EV-CBM-VOYAGER4-1Z Voyager4 מאפשרת למתכננים לפרוס במהירות פתרון ניטור AI אלחוטי במכונה או במערך בדיקה. (מקור התמונה: Analog Devices)

ערכת ה-Voyager4‏ היא בקוטר של 46 מילימטר (מ"מ) וגובה של 77 מ"מ ומגיעה עם חור עם תבריג M6 בבסיס עבור יתד בורג או תושבת דביקה עבור הצמדה לבית המנוע. היא בנויה מבית על בסיס אלומיניום. מכסה מפלסטיק ABS משמש כדי למנוע את חסימת אנטנת ה-Bluetooth Low Energy‏ (BLE‏) שלו.

לוח המעגלים המודפסים (PCB‏) עם הסוללה של יחידת המיקרו-בקר (MCU‏) של ה-AI‏ קצה מותקן אנכית על גבי תושבת. חיישן מערכת מיקרו-אלקטרו-מכני (MEMS) ולוחות PCB‏ ממוקמים על הבסיס, קרוב למקור הרעידות המנוטר.

במערכת ניטור מנוע אלחוטית טיפוסית, החיישנים פועלים עם יחסי מחזור נמוכים ביותר. הם מתעוררים בפרקי זמן מתוזמנים, מודדים את הפרמטרים המעניינים כמו טמפרטורה ורעידות, ואז מעבירים את הנתונים בחזרה למשתמש שם הם מנותחים עבור פעולה אפשרית.

לעומת זאת, מערכת Voyager4 מנצלת את זיהוי AI קצה כדי להגביל את השימוש ברדיו זולל-הספק. כאשר החיישן מתעורר ומודד נתונים, הנתונים נשלחים בחזרה למשתמש רק אם ה-MCU מזהה חריגה. התוצאה היא הארכת חיי הסוללה של לפחות 50%.

מערכת Voyager4 מתחילה עם ה-ADXL382-2BCCZ-RL7‏, IC‏ של מד תאוצה דיגיטלי MEMS‏ דיגיטלי תלת-צירי bit‏-16‏, 8‏ קילו-הרץ (kHz‏) (איור 2‏, משמאל) המשמש לקליטת נתוני הרעידות.

איור 2: מוצג נתיב קבלת ההחלטות בתוך ליבת מערכת Voyager4. (מקור התמונה: Analog Devices)

נתוני הרעידות הגולמיים הם בנתיב (a‏) ל-+MAX32666GXMBL‏, רדיו BLE פלוס Arm® Cortex®-M4F DARWIN MCU. נתונים אלה משמשים לאימון אלגוריתם AI קצה. לאחר מכן הנתונים נשלחים למשתמש באמצעות קישור רדיו BLE (או שניתן לשלוח אותם באמצעות נקודת-חיבור USB‏).

לאחר שלב אימון ראשוני של ה-Voyager4, נתוני הרעידות יכולים לעבור בנתיב (b‏), שבו אלגוריתם AI‏ קצה של ה-MCU‏ +MAX78000EXG‏ ישתמש בנתונים כדי לחזות פעולה תקינה או אפשרות לתקלה של המכונה. אם הנתונים תקינים, אין צורך להשתמש ברדיו MAX32666, ואז יש חיסכון משמעותי בצריכת הסוללה, ופעולת החיישן של Voyager4 יכולה לעבור בנתיב (d‏). במקביל, מד התאוצה חוזר לאופן שינה, כך שגם כאן נחסך הספק. עם זאת, אם האלגוריתם חוזה נתוני רעידות שגויים או חשודים, המערכת עוברת בנתיב (c‏) עם התרעה על חריגה ברעידות הנשלחת למשתמש באמצעות BLE.

ICs‏ נוספים משלימים את התכן

למערכת Voyager4 השלמה יש מדי תאוצה, בינה מלאכותית, ניהול צריכת הספק, הגנה מפני טרנזיינטיים, תקינות נתונים ו-ICs עבור חיבוריות אלחוטית (איור 3). בנוסף למד התאוצה MEMS‏ ADXL-832‏, מד התאוצה התלת-צירי MEMS‏ ADXL367BCCZ-RL7‏ Bit‏-14‏, Hz‏ 100‏ בהספק אולטרה-נמוך משמש עבור יקיצת רדיו BLE‏ מאופן שינה עמוקה כאשר מתגלה אירוע תנודות או זעזועים משמעותיים. התקן יקיצה זה צורך 180 ננו-אמפר (nA‏) בלבד ותורם בכך לחיסכון משמעותי בצריכת ההספק.

איור 3: המערכת השלמה של Voyager4 משתמשת בשילוב של מדי תאוצה, בינה מלאכותית ומעבד אחר, ניהול צריכת הספק, הגנה מפני טרנזיינטים, תקינות נתונים ו-ICs עבור חיבוריות אלחוטית. (מקור התמונה: Analog Devices)

השימוש בשני מדי תאוצה אולי נראה מיותר, אבל לכל אחד יש תפקיד משלו. ה-ADXL367 בעל הביצועים הנמוכים יותר ובהספק אולטרה-נמוך מעניק ניטור מתמשך ויוזם יקיצה, בעוד שה-ADXL832‏ המדויק יותר מספק נתונים ברמת דיוק גבוהה ובמהירות גבוהה.

עבור ניהול נתיבי האותות, המתג האנלוגי ADG1634BCPZ-REEL7‏, התקן CMOS‏ קוטב-יחיד, שתי-דרכים (SPDT‏) 2:1‏, 4.5 אוהם (Ω), ארבעה מעגלים, משמש עבור ניתוב נתוני הרעידות הגולמיים של ה-MEMS‏ לרדיו BLE‏ MAX32666‏ או ל-MCU‏ AI‏ MAX78000‏, כאשר ה-MCU‏ BLE‏ משמש עבור בקרת המתג.

כמה רכיבים היקפיים אחרים מחוברים גם כן ל-MCU‏ BLE‏ MAX32666‏, כולל ה-IC‏ מד קיבולת סוללות Li-Ion‏/4‏ LiFePO‏ _{MAX17262REWL+T‏} המשמש עבור ניטור זרם הסוללה. ה-MAX32666 יכול להזרים את הנתונים הגולמיים של ה-ADXL382 MEMS למארח באמצעות BLE או USB עם ה-IC‏ ממשק UART‏ USB‏-לטורי בסיסי FT234XD-R‏ של Future Technology Devices International‏ (FTDI‏).

בצד החשמלי, מערך דיודות שיכוך מתחים טרנזיינטיים (TVS‏) MAX3207EAUT+T‏, עם קיבוליות זניחה של 2 פיקו-פאראד (pf) בלבד, מעניק הגנה של ±15 קילו-וולט (kV) לכל דגמי גוף-אדם (HBM) ומרווח אוויר. עבור תקינות הנתונים, המאמת המאובטח DS28C40ATB/VY+T‏ מעניק מערך ליבה של כלי הצפנה הנגזרים מפונקציות האבטחה המשולבות הא-סימטריות (ECC-P256‏) והסימטריות (SHA-256‏).

ניהול הספקת-כוח מתקדם מוביל לצריכה מינימלית

הפרטים של ניהול צריכת ההספק ממחישים כיצד חיי הסוללה מושפעים בהקשר של צריכת ההספק באופני הפעולה הרבים של Voyager4. ניהול זה מתרכז במעגל המשולב לניהול הספקת-כוח (PMIC‏) רב-הפנים +MAX20355EWO‏, תקשורת קו-כוח וממיר Buck-Boost‏ עם מד קיבולת סוללות ModelGauge‏ קנייני.

IC‏ זה משלב שני מייצבי Buck‏ עם זרם רגיעה אולטרה-נמוך ושלושה מייצבים ליניאריים עם מפל-מתח נמוך (LDO‏) וזרם רגיעה אולטרה-נמוך. את מתח היציאה של כל LDO‏ ומייצב Buck‏ ניתן לאפשר ולהשבית אינדיבידואלית, וכל ערך מתח יציאה ניתן לתכנת באמצעות ממשק C‏^2‏I‏ של ההתקן. מעבד BLE מאפשר או משבית יציאות הספקת-כוח PMIC אינדיבידואליות עבור אופני הפעולה השונים של Voyager4. ייצוב הספקת-כוח נוסף מסופק באמצעות MAX38642AELT+T‏, מייצב Buck‏ מתכוונן עם יציאה-יחידה ומתח חיובי המושך עד 350 מילי-אמפר (mA‏).

בפעולה, התכונות של Voyager4 תלויות באופני הפעולה BLE ו-AI כדי לקבוע את האופנים הפעילים או הלא-פעילים של ה-MAX32666 ו-MAX78000 שהם קריטיים עבור מזעור ההספק הכולל (איור 4).

איור 4: כדי למזער את צריכת ההספק הכוללת, ה-Voyager4 מעביר את תכונות אופן-הספקת-הכוח שלו בין מצבים פעילים ללא-פעילים בהתאם לשלב הפעולה של ה-BLE ו-AI. (מקור התמונה: Analog Devices‏)

לדוגמה, באופן אימון, ה-BLE MCU חייב תחילה לפרסם את נוכחותו ברשת BLE ולאחר מכן להתחבר למנהל הרשת. לאחר מכן ה-Voyager4 מזרים את הנתונים הגולמיים של ה-ADXL382 MEMS דרך רשת BLE כדי לאמן אלגוריתם AI במחשב האישי של המשתמש.

כ-0.65 מילי-וואט (mW) של הספק נצרך כאשר ערכת ההערכה פועלת באופן אימון, וה-BLE פעיל, מפרסם, מתחבר ומשדר נתונים פעם בשעה. אם חיישן ה-Voyager4 פועל באופן AI, צריכת ההספק יורדת ל-mW‏ 0.3‏, גם כאשר החיישן פעיל פעם בשעה. נתוני הבדיקה מראים שחיישן שאינו צריך להעביר נתוני BLE גולמיים יכול לצרוך עד 50% פחות הספק (איור 5).

איור 5: חיישן שאינו צריך להעביר נתוני BLE גולמיים יכול לצרוך עד 50% פחות הספק. (מקור התמונה: Analog Devices)

כתוצאה מצריכת ההספק של mW‏ 0.3‏, חיי סוללה של עד שנתיים הם אפשריים עם סוללה אחת של 1500 מילי-אמפר-שעה (mAh), ועם שתי סוללות AA בגודל 2.6 אמפר-שעה (Ah) ניתן להשיג למעלה משבע שנים. עבור תוחלת חיים מקסימלית, תאי AA אלו צריכים להיות מהסוג המיועד לזרם פעולה בסיסי נמוך עם פולסים מחזוריים בלבד. אלה יכולים לפעול למשך חמש שנים לפחות בתנאים אלה, בעוד שחלק מהגרסות הגבוהות יותר יכולות לספק כוח במשך יותר מ-20 שנה.

יש צורך גם באנליזה מודאלית מכנית

תכנון מארז סגור מכני מתאים דורש אנליזה מודאלית, המשמשת להבנת מאפייני הרעידות של המבנה המנוטר. אנליזה זו מספקת תובנות לגבי התדרים הטבעיים של התכן והאופנים הרגילים (דפורמציה יחסית).

השיקול העיקרי בניתוח מודאלי הוא למנוע תהודה, שבה התדרים הטבעיים של תכן המבנה תואמים היטב לאלו של עומס הרעידות המופעלות. עבור חיישני רעידות, התדרים הטבעיים של המארז הסגור חייבים להיות גדולים יותר מזה של עומס הרעידות המופעלות הנמדד על ידי חיישן MEMS. עבור Voyager4, רוחב הפס של 3 דציבל (dB) על פני צירי x, y ו-z הוא 8 קילו-הרץ, כך שלמארזי החיישנים לא אמורה להיות תהודה משמעותית של פחות מ-8 קילו-הרץ.

האנליזה בוצעה באמצעות ANSYS וכלי סימולציה אחרים שהושלמו עם Plug-ins‏ מתאימים. כלים אלו מאפשרים לחקור את ההשפעות של הגיאומטריה, בחירת החומרים וההרכבה המכנית על היענות התדר של מארז החיישן. האנליזה מביאה בחשבון שמסת מארז החיישן, הקשיחות והתדרים הטבעיים קשורים זה בזה.

על מכלל החיישנים של Voyager4 בוצעה סימולציה באמצעות סגסוגת אלומיניום 3003 עבור החלק התחתון והאמצעי של המארז, עם פלסטיק ABS-PC עבור הכיסוי. סימולציית האנליזה המודאלית הראתה 14 תוצאות אופנים המתרחשות בתחום התדרים המעניין.

מספר אופנים הציגו מה שנראה תחילה כבעיות, אך בסיום האנליזה ולאחר בחינה נוספת הסתבר שהם אינם מהווים בעיה (איור 6). אופן 1 (איור 6, משמאל) היה ממוקם הרחק מלוח ה-PCB של החיישן בבסיס; תהודה קלה זו לא אמורה להשפיע על הביצועים של ADXL382 MEMS. אופן 7 (איור 6, במרכז) התרחש ב-7.25 קילו-הרץ בקירוב על ציר z (אנכי). למרות שהוא מראה כמה השפעות ניכרות על הקיר האנכי של המארז, הבסיס עצמו לא הושפע מאוד מאופן זה.

סימולציה מודאלית זו מראה שלאף אחד מהאופנים לא תהיה השפעה ניכרת על לוח ה-PCB‏ של החיישן ADXL382 הממוקם על בסיס המארז, ולרוחב הפס של 8 קילו-הרץ (dB‏ 3‏) המעניין לא אמורה להיות תהודה מכנית משמעותית.

איור 6: אנליזה מודאלית מכנית מראה ששתי תהודות מכניות שזוהו כמקור אפשרי לא יהוו בעיה (אופן 1 (משמאל), אופן 7 (במרכז)); תוצאות אלו אושרו על ידי Voyager4 ששימש בבדיקת שולחן-רעידות (מימין). (מקור התמונה: Analog Devices)

תוצאות הסימולציה אומתו באמצעות חיישן Voyager4 שהונח על שולחן-רעידות מודאלי, עם רעידות כניסה עם שיא (g‏) קבוע של 0.25‏ וסריקת תדרים מ-0 עד 8‏ קילו-הרץ. היענות התדר של חיישני Voyager4 שנצפתה הייתה בתחום של dB‏ 1.5‏±‏ עד 8 קילו-הרץ (איור 6, מימין).

סיכום

AI‏ יכול לספק יתרונות מוחשיים כגון חיי סוללה ארוכים יותר כאשר משתמשים בהם עבור CbM של רובוטיקה, מכונות מסתובבות והמנועים שלהן. מערכת יעילה המבצעת פונקציית AI CbM קצה זו דורשת סט רכיבים שנבחר ומשולב בקפידה. ה-MCUs של Analog Devices‏ עם מאיצי חומרה AI משובצים, הנתמכים על ידי ערכת ההערכה EV-CBM-VOYAGER4-1Z עם חיבוריות אלחוטית, מאפשרים פיתוח מהיר של פתרון AI Edge CbM.

תוכן קשור

1. מפעל העתיד: תכן חיישני קצה עם בינה מלאכותית - פרק 1
2. מפעל העתיד: קבלת החלטות בקצה באמצעות חיישנים עם בינה מלאכותית - פרק 2
3. כיצד לתכנן מארז חיישן רעידות טוב באמצעות אנליזה מודאלית