新的数学工具可以为工作选择最佳的传感器

德州农工大学的研究人员现已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，以决定使用哪种传感器以及它们在飞机和其他机器中的位置。

副教授Raktim Bhattacharya博士说：“在任何控制系统的早期设计阶段，都必须做出关键决策，以决定使用哪种传感器以及将传感器放置在何处，以便对系统进行优化以测量特定的物理量。”在航空航天工程系。“借助我们的数学公式，工程师可以为模型提供需要感知的信息和精度的信息，并且模型的输出将是所需最少的传感器及其精度。”

研究人员在6月出版的《电气电子工程师学会控制系统快报》中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，在一架飞机中，用于角速度和加速度的传感器被放置在特定位置以估计速度。

传感器也可以具有不同的精度。用技术术语来说，精度是通过传感器测量中的噪声或摆动来测量的。这种噪声影响内部特性的预测准确度。但是，精度可能会因系统和应用程序而有所不同。例如，某些系统可能要求预测中的噪声不超过特定数量，而其他系统可能需要噪声的平方尽可能小。在所有情况下，预测精度都会直接影响传感器的成本。

Bhattacharya说：“如果要获得两倍的传感器精度，则成本可能会增加一倍以上。” “此外，在某些情况下，甚至不需要很高的精度。例如，不需要昂贵的用于检测物体的4K HD车载摄像头，因为首先，不需要精细的功能来将人与其他汽车区分开，其次，对数据的处理需要高清晰度。高清摄像机成为一个问题。”

Bhattacharya补充说，即使传感器非常精确，知道放置传感器的位置也是至关重要的，因为可能会将昂贵的传感器放置在不需要的位置。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。

为了验证这一基本原理，Bhattacharya和他的团队使用描述了F-16飞机模型的一组方程式设计了数学模型。在他们的研究中，研究人员的目的是估计前进速度，相对于飞机的风向角(迎角)，飞机指向的位置与地平线之间的角度(俯仰角)和俯仰角这架飞机的价格。他们可以使用飞机上通常用于测量加速度，角速度，俯仰率，压力和迎角的传感器。此外，该模型还为每个传感器提供了预期的精度。

他们的模型表明，并不需要所有传感器来精确估计前进速度。角速度传感器和压力传感器的读数就足够了。而且，这些传感器足以估计其他物理状态，例如迎角，从而无需额外的迎角传感器。实际上，这些传感器尽管是测量迎角的替代物，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，该数学框架经过精心设计，因此即使它配备了多种传感器供选择，它也始终指示所需的最少传感器。

他说：“让设计人员想将每种类型的传感器都放置在任何地方。我们的数学模型的优点在于，它将取出不必要的传感器，然后为您提供所需的最少数量的传感器及其位置。”

此外，研究人员指出，尽管该研究是从航空航天工程的角度进行的，但他们的数学模型非常笼统，并且也会影响其他系统。

Bhattacharya说：“随着工程系统变得越来越大和越来越复杂，将传感器放置在何处的问题变得越来越困难。” “因此，例如，如果您要建造一个非常长的风力涡轮机叶片，则需要使用传感器来估算系统的某些物理属性，并且需要将这些传感器放置在最佳位置以确保结构不会失效。这是不平凡的，这就是我们数学框架的用武之地。”