Smarte HMIs für Industrie 4.0
Komponenten für eine effiziente Maschinenbedienung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Bedarf nach HMIs für die Industrie 4.0
Auch wenn Automatisierung in der Smart Factory eine zentrale Rolle einnimmt, wird der Mensch längst nicht zum Statisten degradiert. Vielmehr entsteht ein erhöhter Bedarf an Benutzerschnittstellen, die zu den neuen Produktionsmethoden und dem damit einhergehenden Equipment kompatibel sind, um eine hohe Produktivität zu gewährleisten. So ist eine traditionelle Tastatur-Maus-Kombination nicht immer ideal zur Bedienung eines industriellen Steuermoduls geeignet. Die Touch-Sensortechnik stößt dort an ihre Grenzen, wo Schutzhandschuhe getragen werden müssen.
Eine sinnvolle Alternative ist die Nutzung von projiziert-kapazitiver Sensortechnik. Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung der weit verbreiteten kapazitiven Sensorik, die in Smartphones zum Einsatz kommt. Mit der projiziert-kapazitiven Technik können Objekte im dreidimensionalen Raum erkannt werden, ohne dass dazu ein physischer Berührungspunkt nötig ist. Dank fortschrittlicher Algorithmen ist es möglich, eine Vielzahl räumlicher Gesten über den Sensor zu erfassen. Hierdurch ergeben sich innovative Anwendungsmöglichkeiten in der Smart Factory. Microchip ist mit einer GestIC-Technik ein Pionier auf diesem Gebiet. Sie basiert auf dem Konzept der elektrischen Nahfeld-Erkennung. Auf dieser Grundlage wurden die kapazitiven Berührungssensoren MGC3030 (SSOP-Gehäuse) und MGC3130 (QFN) entwickelt (Bild 1). Dabei handelt es sich um Einzelchips mit einer umfangreichen Bibliothek von erkennbaren Gesten, darunter Winken, Wischen und Rotationsbewegungen. Der MGC3130 unterstützt zudem Positional Tracking, sodass die Technik als Mausersatz nutzbar ist und in Steuersystemen zum Einsatz kommen kann, die auf eine Auswahl vordefinierter Aktionen zurückgreifen.
Die Bibliothek, die zur Gestenerkennung verwendet wird, trägt den Namen Colibri Gesture Suite. Sie kombiniert eine Engine zur Gestenerkennung mit der Nachbearbeitung dreidimensionaler Ortsvektoren. Die Verarbeitung der digitalen Signale erfolgt geräteintern. Dies umfasst auch das analoge Front End zum Betrieb der positiven und negativen Elektrode sowie Kommunikationsschnittstellen zum Anschluss an einen Host-Prozessor.
Maschinen über Sprache steuern
Die Software, auf der die Bibliothek und die Algorithmen von GestIC basieren, nutzt eine Technik namens Hidden Markov Model (HMM). Dabei handelt es sich um ein statistisches Modellierungsverfahren, das nicht nur für die Erkennung von Gesten, sondern auch von handschriftlichen Aufzeichnungen und Sprache zum Einsatz kommt. Es hat auf diesen Gebieten das Dynamic Time Warping (DTM) – ein Algorithmus zum Vergleich von zwei Sequenzen – verdrängt. Letztgenannte Technik wird noch in Spracherkennungssystemen genutzt, die trainiert werden, auf Befehle zu reagieren.
Ein solches Szenario ist einfacher zu realisieren als Algorithmen zur Erkennung natürlicher Sprache, die etwa im Rahmen einer simultanen Verdolmetschung erforderlich sind. Im Fall der industriellen Steuerung sollte eine Maschine in der Lage sein, über eine Steuerkonsole ausgegebene Benutzerbefehle zu verarbeiten, beispielsweise „Prozess starten“, „Prozess anhalten“ oder „Prozess zurücksetzen“.
In einem solchen Fall ist die Spracherkennungsplatine SpeakUp von MikroElektronika eine empfehlenswerte Lösung (Bild 2). Sie erkennt über 200 verschiedene vorprogrammierte Sprachbefehle und führt sie durch eine direkte Ansteuerung der jeweiligen Stellglieder aus. Zur Hardware der Platine zählen der Mikrocontroller STM32F415RG von STMicroelectronics und ein Stereo-Audio-Codec sowie ein integriertes Mikrofon und Unterstützung für ein externes Mikrofon. Im Anschluss an die Konfiguration mit der im Lieferumfang enthaltenen PC-Software kann die Platine bis zu 200 Befehle erkennen und ausführen. Die Steuerung kann sowohl über eine universelle E/A-Einheit direkt vom Mikrocontroller als auch über die mikroBUS-Schnittstelle von MikroElektronika erfolgen, sodass eine Reihe von Plug-in-Platinen verwendet werden kann.
Ebenso ist ein Betrieb im Click-Modus möglich, bei dem Befehle entweder über die USB- oder UART-Schnittstelle verarbeitet werden. Es gibt fünf Aktionen, die einem dekodierten Sprachbefehl zugeordnet werden können: On, Off, Toggle, Pulse und None. Für den Pulse-Befehl lassen sich außerdem folgende Parameter konfigurieren: Duty, Period und Number of Repetitions.
Der Funktionsumfang der Platine lässt sich beispielsweise mit einer der vielen verfügbaren Click-Platinen erweitern, um mit Hilfe von Sprachbefehlen Anlagen ein- und auszuschalten. Über die Click-Platine lässt sich das SpeakUp-Modul problemlos mit einem Embedded-Rechner-Board wie dem Beaglebone Green kombinieren und so das Herzstück komplexerer und leistungsstärkerer Systeme bilden. Mit der richtigen Konfiguration sind die Möglichkeiten beinahe grenzenlos.
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- Sensorik für die Gesichtserkennung
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