新的数学工具可以为您的作业选择最佳传感器
在2019年波音737 Max飞机失事事故中，从故障中恢复的黑匣子暗示，压力传感器故障可能导致这架不幸的飞机俯冲。这一事件和其他事件引发了关于传感器选择、数量和放置的更大辩论，以防止此类悲剧再次发生。
德克萨斯A&M大学的研究人员已经开发出一个全面的数学框架，可以帮助工程师做出明智的决定，决定使用哪些传感器，以及传感器必须放置在飞机和其他机器中的位置。
航空航天工程系副教授Raktim Bhattacharya博士说："在任何控制系统的早期设计阶段，必须就使用哪些传感器以及放置传感器的位置做出关键决定，以便系统经过优化，以测量某些物理关注量。"通过我们的数学公式，工程师可以向模型提供需要感知什么和精度的信息，模型的输出将是所需的传感器和精度。
研究人员在6月号电气和电子工程师控制系统快报上详细介绍了他们的数学框架。
无论是汽车还是飞机，复杂的系统都有需要测量的内部属性。例如，在飞机上，角速度和加速度的传感器被放置在特定位置以估计速度。
传感器也可以有不同的要求。在技术方面，精度通过传感器测量中的噪声或摆动来测量。此噪声会影响内部属性的预测准确。但是，根据系统和应用程序，定义要求可能不同。例如，有些系统可能要求预测中的噪声不超过一定量，而其他系统可能需要噪声的平方尽可能小。在所有情况下，预测精度对传感器的成本有直接影响。
"如果你想获得两倍的精确度传感器精度，成本可能会超过两倍，"Bhattacharya说。"此外，在某些情况下，甚至不需要非常高的精度。例如，昂贵的 4K HD 车载摄像头用于物体检测是不必要的，因为首先，不需要精细的功能来区分人类和其他汽车;其次，数据处理与高清摄像头成为一个问题。
Bhattacharya补充说，即使传感器非常精确，知道传感器放在哪里也至关重要，因为一个人可能会将昂贵的传感器放在不需要的位置。因此，他说，理想的解决方案通过优化传感器的数量及其位置来平衡成本和精度。
为了验证这一原理，Bhattacharya和他的团队设计了一个数学模型，使用一组方程来描述F-16飞机的模型。在研究中，研究人员的目标是估计飞机的前进速度、风角的风向（攻击角度）、飞机指向位置和地平线（俯仰角）之间的角度以及飞机的俯仰率。他们可用的传感器通常是在飞机测量加速度，角速度，俯仰速度，压力和攻击角度。此外，还为模型提供了每个传感器的预期适应标准。
他们的模型显示，不需要所有的传感器来准确估计前进速度;角速度传感器和压力传感器的读数已经足够了。此外，这些传感器足以估计其他物理状态，如攻击角度，排除了额外的攻击传感器角度的需要。事实上，这些传感器虽然是测量攻击角度的代因，但具有在系统中引入冗余的效果，从而提高了系统的可靠性。
Bhattacharya说，数学框架的设计，它总是指示最少的传感器，即使它提供了一系列传感器可供选择。
"让我们假设一个设计师想把每种类型的传感器无处不在。我们的数学模型的美妙是，它会拿出不必要的传感器，然后给你所需的传感器和位置的最小数量，"他说。
此外，研究人员指出，虽然这项研究是从航空航天工程的角度来看，他们的数学模型是非常通用的，也可以影响其他系统。
"随着工程系统变得越来越大和复杂，传感器放在哪里的问题变得越来越困难，"Bhattacharya说。"因此，例如，如果您正在构建一个很长的风力涡轮机叶片，则需要使用传感器估计系统的一些物理特性，并且这些传感器需要放置在最佳位置，以确保结构不会失效。这是不小的，这也是我们的数学框架的用武之。
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