Virtuelle Sensoren: Funktionsweise und Schlüsselanwendungen

In modernen Industrie- und Consumer-Geräten liefert eine wachsende Anzahl physischer Sensoren – Mikrofone, Kameras, Näherungs- und Trägheitssensoren – Rohdaten, die, wenn kombiniert, weit zuverlässigere Einblicke liefern. Durch Fusion dieser Signale schaffen Ingenieure virtuelle Sensoren, die komplexe Messungen in die exakten Variablen übersetzen, die Designer überwachen müssen.

Was ist ein virtueller Sensor?

Ein virtueller Sensor ist ein Softwarekonstrukt, das nicht gemessene Prozessvariablen oder Produkteigenschaften schätzt. Mittels mathematischer Modelle und den Ausgaben existierender physischer Sensoren sagt es die gewünschte Größe mit hoher Genauigkeit voraus.

Die Sicherheit virtueller Sensoren ist paramount. Da Daten generiert, verarbeitet und über Netzwerke übertragen werden, werden sie zum Ziel für Cyber-Angriffe. Robuste Verschlüsselung und Authentifizierungsprotokolle sind daher essenziell, um die Integrität der digitalen Lieferkette zu schützen.

Wie virtuelle Sensoren funktionieren

Im Kern ist ein virtueller Sensor ein Stück Software, das die Beziehungen zwischen mehreren Sensoreingängen lernt. Durch Ausführen eines kalibrierten Simulationsmodells und Einspeisen realer Daten kann das System das Verhalten einer Komponente ableiten, die andernfalls einen dedizierten, teuren Sensor erfordern würde.

Virtuelle Sensoren auf Android und Windows 8

Beide mobilen Plattformen stellen eine Reihe eingebauter virtueller Sensoren bereit, die Beschleunigungsmesser, Gyroskop und Magnetometer kombinieren, um Orientierungs- und Bewegungsmetriken zu liefern.

Androids vier primäre virtuelle Sensoren sind:

• TYPE_GRAVITY
• TYPE_ORIENTATION
• TYPE_LINEAR_ACCELERATION
• TYPE_ROTATION_VECTOR

Windows 8 bietet:

• Orientierungssensor
• Neigungskompensierter Kompass
• Inklinometer
• Schüttelerkennung (Shake)

Diese gefusionierten Sensoren ermöglichen Entwicklern, kontextbewusste Anwendungen zu bauen, die auf Gerätebewegung, Orientierung und Nutzerintention reagieren.

Anwendungen virtueller Sensoren

Virtuelle Sensoren sind unschätzbar, wenn:

• Direkte Messung unmöglich oder unpraktisch ist.
• Ein physischer Sensor zu langsam, kostspielig oder nicht verfügbar ist.
• Die Betriebsumgebung feindlich für Hardware-Sensoren ist.
• Wartungskosten oder Sensorzuverlässigkeit prohibitiv sind.

Beispielsweise liefert in der Flugsteuerung von Miniaturflugzeugen ein virtueller Beschleunigungssensor – abgeleitet aus einer realistischen MATLAB-Simulation – Echtzeitdaten, wenn nur zwei physische Sensoren vorhanden sind. Er kann auch Sensorfehler erkennen, bevor sie die Sicherheit gefährden.

Durch Integration virtueller Sensoren können Ingenieure höhere Systemzuverlässigkeit erreichen, Hardware-Footprints reduzieren und Time-to-Market beschleunigen.