Intelligente akustische Sensorsysteme für Ihre Produkte und Prozesse

Smarte, leicht integrierbare Hardware

Der Oldenburger Institutsteil Hör-, Sprach- und Audiotechnologie HSA des Fraunhofer IDMT entwickelt branchenübergreifende Hard- und Software für die Aufnahme und Verarbeitung akustischer Daten in kabelgebundenen oder drahtlosen Sensornetzwerken.

Die Systeme werden dabei so aufgebaut, dass sie die Anforderungen des jeweiligen Marktes und kundenspezifischen Anwendungen erfüllen. Dies beginnt mit der Wahl geeigneter Sensorelemente, Rechenplattformen, Gehäuse, Energieversorgung und Kommunikationsfähigkeiten und wird im Bereich Software fortgesetzt. Zur Anwendung kommen passende Verfahren zum Einsatz. Etwa zur Signalvorverarbeitung, der Befreiung von Störgeräuschen, zur Lokalisation von Schallquellen oder zur Datenreduktion. Zusätzlich kommen moderne Methoden des maschinellen Lernens, künstlicher Intelligenz und auch klassische Algorithmen als Softwaremodule für moderne Service-Architekturen zum Einsatz.

Die Sensorlösungen sind in der Lage große Datenmengen »on-premises« zu verarbeiten. Dies schont Kommunikationskanäle und bedient zeitgleich Aspekte des Datenschutzes und der Privatsphäre.

Die Realisierung nutzergruppen-spezifischer Schnittstellen und Zugänge für Endnutzer sowie für Experten komplettieren die Sensorsysteme und machen sie bedienbar.

Akustische Sensornetzwerke

Für komplexe Anwendungen können akustische Sensornetzwerke gebildet werden. Weitergeleitete Meta-Informationen einzelner intelligenter Sensoren erlauben die örtliche, zeitliche und statistische Modellierung von akustischen Ereignissen sowie die Zusammenführung mit multimodalen Informationen anderen Typs auf einem zentralen Server. 

Die Leistungsfähigkeit intelligenter akustischer Sensorsysteme wird zukünftig sogar noch über die Integration von KI-fähiger Mikroelektronik steigen. Nicht zuletzt werden unsere Systeme über Forschungs- und Entwicklungsprojekte stetig verbessert.

Multimodalität ist die Zukunft: Schon heute verknüpfen wir akustische Informationen mit anderen Sensormodalitäten, um komplexere Sachverhalte besser abbilden zu können. Die Kombination verschiedener Sensoren bietet die Möglichkeit umfassendere Informationen zu erhalten.

Smarte Sensorik kann einen eigenständigen Teil von Produktionsmaschinen darstellen und vorausschauend Fehler erkennen und Prozessabläufe optimieren. Beispielsweise bei der Leckagedetektion an pneumatischen Antrieben. Gesteigerte Betriebskosten, verringerte Maschineneffizienz oder vereinzelte Maschinenausfälle lassen sich erst spät mit dem Druckluftverlust in Verbindung bringen. Das beständige Monitoring macht Maschinenstillstände planbar und weniger kostenintensiv.

Für die Erforschung intelligenter Sensorsysteme und deren Einsatz für den Menschen haben die Forschenden am Fraunhofer IDMT in Oldenburg die SensOhr®-Plattform entwickelt. Haupteinsatzbereiche liegen in Szenarien, die ein Monitoring erfordern – sei es in Gesundheitsanwendungen oder der Kommunikation. Geräusche wie Schnarchen, Herzschlag, Schlucken oder Sprache können mit der Aufnahme von (anderen) Vitaldaten wie EEG oder Sauerstoffsättigung kombiniert werden. So kann SensOhr® beispielsweise die Grundlage für die Erfassung unterschiedlicher Biosignale bilden. Dabei handelt es sich um eine Plattform zur sensorgestützten Aufnahme von Biosignalen nah am Ohr. Der Haupteinsatzbereich liegt im Monitoring, beispielsweise im Gesundheitsumfeld. Dazu zählt etwa das Monitoring von Sprech- oder Schlafstörungen. Aber auch eine Anwendung in der Pflege oder im Krankenhaus ist denkbar, etwa bei der Überwachung von Husten oder Atmung.

Beim Einsatz der smarten Sensorik im Sicherheitsbereich setzten wir vor allem auf die Störgeräuschreduktion mit Hilfe mehrerer Mikrofone, sogenannten Mikrofonarrays, zur Trennung der relevanten und weniger relevanten Geräusche. Zudem lassen sich mit solchen Aufbauten Quellen akustisch orten und unmittelbar mit dem akustischen Monitoring kombinieren. So eröffnen wir die Möglichkeit Drohnen zu detektieren und zu lokalisieren, die in Sicherheitsbereiche eindringen. Durch die Erkennung von Glasbruch oder Spraydosen können wir einen Beitrag zur Einbruchs- und Vandalismusbekämpfung leisten. Die Richtungsfilterung, auch Beamforming genannt, ermöglicht es das Mikrofon dahin auszurichten, wo es gebraucht wird. Der Beamformer verstärkt beispielsweise bevorzugte Audiosignale und blendet unerwünschte Geräuschquellen, etwa andere Sprechende, einfach aus.

Das Auto lernt hören: In unserem Projekt »The Hearing Car« verhelfen intelligente Sensoren dem Auto zum Gehör. Mit Machine-Learning-Verfahren wird ihm beispielsweise die Erkennung von Sirenensignalen beigebracht. Dafür arbeiten wir mit gruppenübergreifenden Kompetenzen an der Entwicklung von KI-Algorithmen zur akustischen Ereigniserkennung, oder der optimalen Signalaufnahme durch die Sensorpositionierung, die Signalvorverarbeitung und -verbesserung sowie die Störgeräuschbefreiung.

Das Fraunhofer IDMT bietet robuste Signalverarbeitungsverfahren und ein breites Portfolio an Erkennermodellen, die an unterschiedliche Anwendungsszenarien angepasst werden können.