設(shè)計(jì)者正在為自己的最終系統(tǒng)增加傳感器與智能處理，以填補(bǔ)系統(tǒng)性能的不足，此類設(shè)計(jì)的制造與運(yùn)行都有更低的成本。 　　隨著微處理器與傳感器價(jià)格的不斷下滑，自動(dòng)系統(tǒng)與半自動(dòng)系統(tǒng)都可以包含更多的智能，根據(jù)對(duì)自身內(nèi)部狀況以及當(dāng)時(shí)外部環(huán)境的更好了解，作出更優(yōu)化的決策。為一個(gè)設(shè)計(jì)增加傳感器，并將所有這些傳感器的數(shù)據(jù)作智能關(guān)聯(lián)處理，這些都會(huì)帶來(lái)更多的設(shè)計(jì)時(shí)間成本與復(fù)雜性，但各個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)仍在日益接受這種成本，因?yàn)闄?quán)衡的結(jié)果可以是一個(gè)差異化的系統(tǒng)，它能更有效地提供更多功能，而價(jià)格則與前代設(shè)計(jì)不相上下。 　　嵌入設(shè)計(jì)中使用傳感器并不新鮮。不同的是設(shè)計(jì)中正在集成越來(lái)越多的傳感器和處理器，從高端的自動(dòng)化系統(tǒng)，到批量生產(chǎn)的消費(fèi)產(chǎn)品。隨著傳感器與處理器的不斷降價(jià)，替代機(jī)械控制結(jié)構(gòu)的門檻也在持續(xù)變化。如何對(duì)處理作分割，實(shí)現(xiàn)相同系統(tǒng)中多個(gè)傳感器的關(guān)聯(lián)，這一任務(wù)遠(yuǎn)超出了機(jī)械替代的范疇，以至于供應(yīng)商經(jīng)常會(huì)把自己的方案看作專有的信息，因?yàn)閭鞲衅髋c處理算法正確組合的選擇可以實(shí)現(xiàn)更低的物料成本、更高的能效，以及更佳的系統(tǒng)性能。 　　DARPA（美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究項(xiàng)目署）城市挑戰(zhàn)賽以及無(wú)人車輛挑戰(zhàn)賽都強(qiáng)有力地證明，裝有大量傳感器的全自動(dòng)車輛可以在各自的環(huán)境內(nèi)實(shí)現(xiàn)探測(cè)、解析、預(yù)測(cè)、交互和移動(dòng)（參考文獻(xiàn) 1）。挑戰(zhàn)賽表明，自動(dòng)車輛僅僅依靠各種板載傳感器與定位系統(tǒng)，就可以完全靠自身作駕駛及導(dǎo)航，無(wú)需遙控或人類駕駛者（參考文獻(xiàn) 2）。不過(guò)，在這些挑戰(zhàn)賽中，其管理員要給自動(dòng)車輛裝入一個(gè)目標(biāo)的 GPS（全球定位系統(tǒng)）位置清單，指示他們要去的地點(diǎn)。它們自己不會(huì)決定去哪里，或到達(dá)那些點(diǎn)的次序；他們只知道要從當(dāng)前位置到達(dá)清單中的各個(gè)點(diǎn)。 　　DARPA 城市挑戰(zhàn)賽于 2007 年 11 月 3 日舉辦，它要求自動(dòng)車輛在城市交通路況下，與其它有人駕駛和無(wú)人駕駛車輛一起行駛，以證明它們可以安全地完成復(fù)雜機(jī)動(dòng)，如并道、超車、停車，以及穿過(guò)路口。六個(gè)小組成功地完成了 DRAPA 城市挑戰(zhàn)預(yù)賽。獲獎(jiǎng)車輛來(lái)自 Tartan 賽車隊(duì)，它除了慣性 GPS/IMU（慣性測(cè)量單元）傳感器以外，還使用了七只激光雷達(dá)（光探測(cè)與測(cè)距）、雷達(dá)（射頻探測(cè)與測(cè)距）和視覺(jué)傳感器（參考文獻(xiàn) 3）。傳感器的選擇支持用于算法規(guī)劃的數(shù)據(jù)融合，以及通過(guò)傳感器的交疊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余與關(guān)聯(lián)。 　　機(jī)器人是一類有大量傳感器、正在發(fā)展中的自動(dòng)系統(tǒng)。例如，Boston Dynamics 公司有多種機(jī)器人，如遙控的 BigDog，它可以依據(jù)自己的傳感器和板載控制系統(tǒng)，穿越艱難地形（包括冰面），并在遇到困難時(shí)回撤。BigDog 的運(yùn)動(dòng)傳感器包括：聯(lián)結(jié)位置、聯(lián)結(jié)力、接地觸點(diǎn)、接地負(fù)載、一個(gè)激光陀螺儀，以及一個(gè)立體視覺(jué)系統(tǒng)。其它傳感器主要針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的健康狀況，監(jiān)控液壓、油溫、引擎溫度、每秒轉(zhuǎn)速以及電池充電等。供應(yīng)商 iRobot 亦提供多種型號(hào)的機(jī)器人，包括消費(fèi)級(jí)的吸塵機(jī)器人，如 Roomba。Roomba 使用了多個(gè) IR（紅外）傳感器，直接（或通過(guò)機(jī)械翼）檢測(cè)所處環(huán)境（參考文獻(xiàn) 4）。 　　半自動(dòng)系統(tǒng)是密集傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域。高端是電傳飛控飛機(jī)與汽車，而在低端，消費(fèi)家電正在出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，如洗衣機(jī)。半自動(dòng)系統(tǒng)會(huì)從人類操作者獲得高級(jí)指示，但要負(fù)責(zé)管理所需監(jiān)控系統(tǒng)的低層操作細(xì)節(jié)。在足夠?qū)挿旱慕忉屜?，多?shù)嵌入系統(tǒng)都可歸到這個(gè)類別，這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者也許能從其它傳感器設(shè)計(jì)或數(shù)據(jù)豐富的設(shè)計(jì)中獲取知識(shí)（見(jiàn)附文《超級(jí)計(jì)算》）。 　　復(fù)雜的遙控系統(tǒng)（如 BigDog）必須對(duì)其環(huán)境與狀況作出即時(shí)的自動(dòng)響應(yīng)，部分原因是一個(gè)遙控接口不足以提供充足的數(shù)據(jù)帶寬和反饋接口，操作者無(wú)法用多個(gè)調(diào)整命令使系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇實(shí)現(xiàn)一種半自動(dòng)子系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使其比多數(shù)操作者手動(dòng)完成相同任務(wù)要更快、更好。 　　飛機(jī)使用的半自動(dòng)電傳飛控系統(tǒng)用電氣接口代替了飛行員與飛機(jī)之間的物理控制。控制系統(tǒng)接收飛行員的命令，然后根據(jù)傳感器的讀數(shù)，決定致動(dòng)器的最佳行動(dòng)，在每個(gè)控制點(diǎn)做出最理想的動(dòng)作。這種情況下，最聰明的控制系統(tǒng)要使飛行員的注意力集中在飛機(jī)的高級(jí)控制上，而由飛控系統(tǒng)去管理每個(gè)子系統(tǒng)的底層控制；這種方案使飛行員能騰出有價(jià)值的認(rèn)知周期，關(guān)注周圍那些飛控系統(tǒng)無(wú)法補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。 　　汽車也正在日益采用這種高、低層劃分的控制，它處于駕駛員與車載控制子系統(tǒng)之間，使它們更安全和更高效（參考文獻(xiàn) 5）。汽車內(nèi)自動(dòng)子系統(tǒng)的例子包括剎車防抱死系統(tǒng)、電子穩(wěn)定控制、牽引控制、偏航控制，以及碰撞緩解系統(tǒng)，如智能約束系統(tǒng)和氣囊。在不同環(huán)境下，駕駛員可能并不能感受到這些控制系統(tǒng)。 　　汽車引擎管理系統(tǒng)展示了一種有密集傳感器的半自動(dòng)嵌入子系統(tǒng)。除了監(jiān)控駕駛員的踏板接口，系統(tǒng)還會(huì)跟蹤很多其它內(nèi)部數(shù)據(jù)點(diǎn)，如溫度、壓力，以及系統(tǒng)內(nèi)空氣、燃料與廢氣的化學(xué)組成，并與其它傳感器進(jìn)一步聯(lián)合測(cè)量點(diǎn)火、敲缸，以及曲軸位置，從而優(yōu)化引擎的輸出功率、燃油效率、排放性能，以及駕駛體驗(yàn)，甚至適應(yīng)替代燃料。 虛假報(bào)警 　　除了考慮設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的成本以外，半自動(dòng)嵌入控制系統(tǒng)解決多義及模糊狀況的能力限制了這些系統(tǒng)的使用范圍。對(duì)于一個(gè)“增強(qiáng)的”系統(tǒng)，如果它發(fā)出了過(guò)多的虛假警報(bào)，或者因?yàn)樗赡軗p壞最終系統(tǒng)，從而需要太過(guò)的人工干預(yù)，那么其價(jià)值就會(huì)大大降低。2000 年初梅塞德斯汽車公司電控系統(tǒng)可靠性的下降就是一個(gè)例證，它表明，如果系統(tǒng)無(wú)法分辨多義或模糊的狀況，就會(huì)對(duì)整體系統(tǒng)價(jià)值產(chǎn)生負(fù)面影響。 　　此時(shí)，將更多傳感器數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，就能夠使半自動(dòng)嵌入控制系統(tǒng)安全地作出更復(fù)雜的決策，因?yàn)樗鼈冊(cè)絹?lái)越能作出判斷和避免對(duì)錯(cuò)誤警報(bào)的反應(yīng)。一輛高檔汽車的碰撞檢測(cè)有賴于很多傳感器的共同運(yùn)行，如遠(yuǎn)距雷達(dá)和近距雷達(dá)、IR、視頻、慣性與超聲波傳感器，以檢測(cè)和驗(yàn)證對(duì)可能或迫近的碰撞的必要?jiǎng)幼?。這些傳感器中的每一只都提供了有關(guān)周圍環(huán)境的信息，控制系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)與其它傳感器聯(lián)系起來(lái)，填補(bǔ)每種類型傳感器的空白點(diǎn)，從而避免意外的結(jié)果，例如由于鵝卵石擊中汽車保險(xiǎn)杠而觸發(fā)氣囊。 　　在汽車中，越來(lái)越多的報(bào)警子系統(tǒng)用于提供輔助報(bào)警，如車距與盲點(diǎn)探測(cè) ，它們與駕駛員直接互動(dòng)，提供信息或幫助。這些警報(bào)與響應(yīng)系統(tǒng)也依賴于多個(gè)傳感器輸入的關(guān)聯(lián)，避免發(fā)出虛假警報(bào)，或?qū)δ撤N狀況作出不正確反應(yīng)。例如，一個(gè)車距檢測(cè)子系統(tǒng)可以將視覺(jué)、慣性、車輪位置以及轉(zhuǎn)向柱位置傳感器的數(shù)據(jù)作關(guān)聯(lián)，然后向駕駛員發(fā)出警報(bào)，避免出現(xiàn)誤報(bào)。 　　嵌入控制系統(tǒng)中使用更多傳感器和處理智能帶來(lái)了成本與設(shè)計(jì)復(fù)雜性問(wèn)題，隨著供應(yīng)商們對(duì)這些問(wèn)題的解決，設(shè)計(jì)者們正將更多復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)用于較低成本設(shè)計(jì)，包括中檔的消費(fèi)應(yīng)用。Microchip 公司首席應(yīng)用工程師 Priyabrata Sinha 指出，家電正逐步脫離開(kāi)狀態(tài)機(jī)盒子，并在決策回路中加入了更多的傳感器與智能。 　　舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)代洗衣機(jī)可以用到三片微控制器來(lái)管理系統(tǒng)與用戶界面。值得指出的是，閃存數(shù)量（而不是處理器架構(gòu)的規(guī)模）是雙傳感器設(shè)計(jì)與六傳感器設(shè)計(jì)之間最主要的差異。額外的存儲(chǔ)器能使系統(tǒng)容納用于傳感器的更多代碼，使程序代碼能關(guān)聯(lián)多個(gè)輸入，供更復(fù)雜控制算法的使用。 　　瑞薩技術(shù)公司高級(jí)產(chǎn)品/區(qū)段經(jīng)理 Ritesh Tyagi 說(shuō)，“快速”響應(yīng)系統(tǒng)有一個(gè)關(guān)鍵的部分，那就是設(shè)計(jì)者對(duì)傳感器和處理器的配對(duì)與連接方式。一款中等價(jià)格的冰箱可能用到多達(dá) 8 只微控制器，還有多只相應(yīng)的局部傳感器，為每個(gè)冰箱格比如肉菜格提供定制且優(yōu)化的控制。這些實(shí)現(xiàn)類型正沖擊著中心式處理與分布式處理的平衡，以提供更高的可靠性，滿足緊張的功率預(yù)算，并且簡(jiǎn)化家電的用戶互動(dòng)。 　　不幸的是，使用多種類型傳感器數(shù)據(jù)，并且在控制算法中作關(guān)聯(lián)的方法涉及很多公司敏感的專利問(wèn)題。但是，有些高級(jí)實(shí)例仍可能會(huì)給你靈感，看自己是否有一些方法來(lái)收集傳感器信息，并將它們與系統(tǒng)中的其它信息相關(guān)聯(lián)，以做出更好的設(shè)計(jì)，從而以更低的總成本，更高效地實(shí)現(xiàn)新的增值功能。 　　提示 　　＊ 關(guān)聯(lián)式傳感器處理是一種領(lǐng)先并日益成熟的技術(shù)。 　　＊ 隨著設(shè)計(jì)者在傳感器中放入更多的處理能力，傳感器也在變得智能化。 　?。?各種類型的應(yīng)用（從高端到低端系統(tǒng)）都正得益于更多組傳感器的使用，使它們能夠處理更復(fù)雜的使用場(chǎng)景。 參考文獻(xiàn) ＊ “DARPA Urban Challenge,” www.darpa.mil/grandchallenge. ＊ Cravotta, Robert, “Operating alone,” EDN, Dec 5, 2005, pg 49, www.edn.com/article/CA6288032. ＊ “Tartan Racing: A Multi-Modal Approach to the DARPA Urban Challenge,” April 13, 2007, www.darpa.mil/grandchallenge/TechPapers/Tartan_Racing.pdf ＊ Cravotta, Robert, “Rummage through a Roomba,” EDN, March 15, 2007, pg 32, www.edn.com/article/CA6421379. ＊ Cravotta, Robert, “Making vehicles safer by making them smarter,” EDN, June 8, 2006, pg 49, www.edn.com/ article/CA6339246.