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Sensorentwicklungen mittels Confusion Matrix
STEINEL Solutions AG hat als Anbieter von kompletten Sensorlösungen jahrelange Erfahrung in der Entwicklung und Produktion von Sensoren in unterschiedlichsten Branchen. Die erfolgreiche Umsetzung beruht neben der Erfahrung auch auf der Methodik der Confusion Matrix.
Die Definition des Use Cases
Das Detektionsverhalten einer Sensorapplikation ist entscheidend für den Erfolg des Produktes. Die unterschiedlichen Anwendungssituationen, sogenannte Use Cases, legen das Verhalten des Sensors fest und beschreiben, wie der Sensor jeweils reagieren soll. Dabei wird nicht nur der Idealfall betrachtet, sondern alle Umweltfaktoren.
STEINEL Solutions AG hat in vielen Branchen erfolgreiche Sensorlösungen auf den Markt gebracht. Dadurch sind bereits unterschiedliche Anwendungssituationen und Lösungen, wie beispielsweise im Bereich der Personenerfassung, bekannt und umgesetzt. Weicht nun eine neue Anwendung von bestehenden Lösungen ab oder kommen neue Use Cases hinzu, beginnt ein gemeinsamer Entwicklungsprozess zwischen Product Owner und Realisierungspartner.
• Der Product Owner kennt die branchenspezifischen Einsatz- und Umweltbedingungen seines Produktes. Er spezifiziert die Anforderungen und das gewünschte Verhalten, kann dank seiner Erfahrung auch ungünstige Einbausituationen beschreiben, interpretiert Testergebnisse des ersten Prototypen und leitet Massnahmen daraus ab.
• Der Realisierungspartner entwickelt mit seiner breit abgestützten Fachkompetenz die optimale Lösung. Dies ist in der Regel ein Embedded System mit Sensorik und Aktorik oder allfälligen Kommunikationsschnittstellen.
Ein iterativer Prozess in der intensiven Validierung von frühen Funktionsmustern und weiter ausgereiften Prototypen bringen Sensoroptimierungen und Produktverbesserungen zu Tage. Teilweise werden sogar Anwendungsfälle erst im Laufe dieser Phase neu definiert. Bevor das Projekt in die Industrialisierung übergeht, werden die Anforderungen mit den Testbeschreibungen anhand eines Testplanes gemeinsam abgestimmt und anschliessend Punkt für Punkt nachgewiesen.
Die Ausgestaltung der Sensorcharakteristik mittels Confusion Matrix
Die Ausgestaltung der Sensorcharakteristik wird unterstützt durch die Confusion Matrix, welche ihren Ursprung bei Machine Learnig Modellen hat. Mit der Confusion Matrix, auch Fehlermatrix genannt, werden das Erkennungsverhalten und die Grenzen von Sensoren anschaulich beschrieben.
Am Beispiel eines Bewegungssensors, wie er unter anderem in Aussenbereichen von Gebäuden verwendet wird, beschreibt die Confusion Matrix in Abbildung 2 einen Passiv Infrarot (PIR) Sensor. Oftmals ist es ratsam, mit dem Product Owner die Auftrittshäufigkeit der einzelnen Use Cases in Prozentwerten zu definieren und auf einen akzeptablen Wert festzusetzen, z.B. sind False NEGATIVE bis zu 0.5% tolerierbar. True POSITIVE: Diese Fälle sind in der Regel schnell definiert und wiederspiegeln die eigentliche Funktion des Sensors. Es sind die Situationen, die der Sensor erkennen soll. Ein Bewegungssensor erkennt vorbeilaufende Personen mit einer Geschwindigkeit von >2km/h und schaltet das Licht ein.
Abbildung 1 Generelle Darstellung einer Confusion Matrix, eigene Darstellung
Abbildung 2 Die Fälle sind anschauliche Beispiele für das Verständnis der Matrix und geben keinen real existierenden Sensor wieder.
True NEGATIVE: Scheint auf den ersten Blick eigentlich recht naheliegend. Ist es das Gegenteil von True POSITIVE? Einfach gesagt soll der Bewegungsmelder in seinem Erfassungsbereich keine Person erkennen, die nicht im Raum ist. Was ist aber mit einer sitzenden Person, die sich nicht bewegt? Da spricht man bei einem Bewegungsmelder tatsächlich von True NEGATIVE. In der Praxis unterscheidet man zwischen Präsenzsensoren (typischerweise im Bürobereich) und Bewegungssensoren. Damit erklärt sich, dass der Bewegungssensor im Unterschied zum Präsenszensor nicht auf eine sitzende Person reagiert. Dafür hat er eine grössere Reichweite und günstigere Komponenten.
Weiter gibt es die zwei Felder False POSITIVE (Phantomdetektionen) und False NEGATIVE (Blindheit). Beide Fälle beschreiben eine Fehlfunktion des Sensors. Es ist zwischen Product Owner und dem Entwicklungspartner abzustimmen, bis zu welchem Grad derartige Fehlfunktionen zulässig sind. Diese Abgrenzung ist sehr individuell und kann Einfluss auf Entwicklungs- und Produktkosten haben. So kann beispielsweise eine weitere Sensortechnologie erforderlich werden, um spezifische Sonderfälle zuverlässig zu erkennen. Ob die Anwendung den Mehrpreis des zusätzlichen Prinzips akzeptiert, liegt letztendlich in der Price-Performace-Abschätzung des Product Owners.
Das Zusammenspiel vieler Fachgebiete in der Umsetzung
In der technischen Umsetzung treffen in einer Sensorapplikation viele Fachgebiete aufeinander: Analog-Design, Digitale Filterung und Signalverarbeitung, EMV-Immunität, Power-Management, Kommunikationsanbindungen, Abgleich- und Kalibrierungen, usw. All diese Bereiche verlangen entsprechendes Fachwissen, Infrastruktur und Tools, um ausgehend von bestehenden Technologiebausteinen die Adaption auf kundenspezifische Lösungen zu gestalten. Im Bereich der PIR-, Hochfrequenz- und optischen Sensoren hat sich STEINEL spezialisiert und zum Marktführer entwickelt. Entsprechend gross sind dabei die Erfahrung und die Ressourcen im Bereich von Hardware- und Firmwareentwicklung, PCB-Design, Mechanikentwicklung, Applikationstesting und Fertigungs- und Prozessknowhow.
Ein Sensor beinhaltet meist eine analoge Schaltung. Dies macht die Leiterplatte bereits zu einer massgeschneiderten Komponente. Dazu erarbeitet der PCB-Designer in enger Abstimmung mit dem Hardwareentwickler das optimale Layout. Weiter muss der Sensor von Umwelteinflüssen geschützt sein und stellt Anforderungen an deren Montage – bedingt durch die Technologie bzw. als Definition durch den Product Owner. Diese Aspekte fliessen in ein mechanisches Design mit ein, welche wiederum Anforderungen an Produktionsprozesse mit sich bringen. Hier ist das Zusammenspiel von Konstruktion und Fertigung ein zentraler und nicht zu unterschätzender Prozess, der bei einer inhouse entwickelten und produzierten Lösung kritische Schnittstellen eliminiert.
Abbildung 3 Andreas Münger im EMV-Labor.
Die Firmware ist in einem Sensor ein sehr zentraler Teil. Analoge Sensorsignale werden digital gewandelt und in einem Mikrokontroller gefiltert und verarbeitet. In autonomen Sensoren verarbeitet die Firmware die Informationen des Sensors und steuert ein Aktor an, beispielsweise ein Ventil für eine Waschtischarmatur.
In einer vernetzten Anwendung werden die Sensorinformationen über eine Schnittstelle an ein übergeordnetes System zur Verfügung gestellt. Dadurch können räumlich verteilte Sensoren ein viel komplexeres Erkennungsverhalten ermöglichen. Mit den vielfältigen Kommunikationstechnologien haben sich Sensoren in den letzten Jahren stark in Richtung IoT (Internet of Things) weiterentwickelt. Ein breites Spektrum an umgesetzten Lösungen erlaubt STEINEL die passende Technologie für eine Vielzahl von Use Cases auszuwählen.
Sensoren, die mit einer Batterie betrieben werden, sollen über eine lange Zeitdauer autonom funktionieren. Low-Power-Anwendungen sind heute die Regel. Ein Akkumanagement kann ebenso dazugehören, wie ausgeklügelte Stromspartricks.
Eine weitere und nicht zu unterschätzende Disziplin ist die normgerechte Umsetzung und Zertifizierung des Produkts. Bei einem Sensor ist die EMV-Immunität immer als kritischer Bereich anzusehen. Mit internen Pre-Compliance Tests im eigenen EMV-Labor werden bei STEINEL Solutions die False POSITIVE und False NEGATIVE optimiert. Oftmals liegt die Lösung in einer cleveren Signalverarbeitung in der Firmware, was letztendlich auch in Kostenneutralität für das Produkt resultiert. Eine enge Abstimmung zwischen Hardware- und Firmwareentwicklung ist entscheidend für eine optimale Gesamtlösung.
«Was mich als Entwickler an Sensoren fasziniert, ist die extreme Breite an Fachgebieten, die notwendig sind. Langjährige Erfahrungen ermöglichen mir Hardware und Firmware selbst umzusetzen und auf beiden Gebieten optimale Lösungen zu finden. Ein gutes Verständnis für die Anwendung im Markt ist dazu Voraussetzung.»