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Why Use a Sensor When a Pseudo-Sensor Will Do?

Por: Lewin Day
28 Agosto 2024 at 14:00

Usually, when you need to sense something in a project, the answers are straightforward. Want to sense air temperature? There’s a sensor for that. Particulate content in the air? There’s a sensor for that, too. Someone sneaking up on you? Get yourself some passive infrared sensors (PIRs) and maybe a smart camera just to be sure.

But sometimes you can be sneaky instead, saving the cost of a sensor by using alternative techniques. Perhaps there’s a way to use the hardware you already have to determine what you need. Maybe you can use statistical methods to calculate the quantity you’re looking for from other measurements.

Today, we’ll examine a great example of a “pseudo-sensor” build in an existing commercial device, and examine how these techniques are often put to good use in industry.

Case Study

When they were introduced in 2009, Coca-Cola Freestyle dispensers were a step change in the way soft drinks were dispensed. Suddenly, you weren’t limited to five or six choices on the soda fountain. You could instead sample virtually the entire Coca Cola range, all on one machine! If you’re a big soda head, this was a very rad thing. If you were a maintenance tech for Coca Cola, though, you probably saw the machine differently — not as some godly fount of soda, but as a machine to be troubleshooted, repaired, and improved. Over time, it became obvious that the Freestyle unit had a high rate of Flow Control Module (FCM) replacements in the field. And yet, 50% of the FCMs returned to Coca Cola weren’t faulty. There was something strange going on.

The problem, as revealed in a presentation from the company, was that the Freestyle machine didn’t have a dedicated pressure sensor in the fluid line. If a machine had an FCM fault or a pressure loss, it would present much the same way. Thus, techs would often swap out a perfectly good FCM when the problem was actually elsewhere. The solution was obvious: there needed to be a way to sense pressure in the system, so techs could determine if an FCM was faulty or if the problem was a lack of pressure upstream.

There’s a characteristic dip in the current flowing to the FCM valve when it opens—and it change with pressure.

To address this, an engineer might have specified an off-the-shelf pressure sensor, figured out how to retrofit it to the machine, and rolled them out in the wild. Instead, Coca-Cola developed an innovative (and presumably cheaper) solution: a  pressure pseudo-sensor, largely using equipment already on the machine.

The pseudo pressure sensor operates by analyzing the relationship between electrical and mechanical work within the FCM. Basically, the FCM is a valve that opens to allow the flow of fluid through the machine. Thus, the pseudo-sensor monitors the current at which the valve starts to move, a value that correlates with the pressure inside the system. As pressure increases, a characteristic V-shaped drop in current is observed; this pattern shifts as pressure changes, allowing the system to estimate the pressure based on the observed current.

A complicated function ties pressure to the features of the FCM current curve.

To create the pseudo-sensor, a whole lot of data was collected from the Freestyle hardware. Over 5,000 drink pours were performed with a number of FCM modules, at pressures from 1 to 140 pounds per square inch (PSI) at 5 PSI intervals. The data collected during testing was then fed into MATLAB and Simulink in order to create a mathematical model. The aim was to link the peak size of the current feedback voltage dip measured by the current sensor, and link that to pressure. Sadly, a good reliable correlation was hard to come by.

More work ensued, which tied pressure to multiple timing and voltage features on the curve. These were fed into a multi-variable regression that spat out a monstrous model that calculated pressure from six features and 26 terms. It was messy, but far more accurate, and it did the job.

From there, it was a simple matter of deploying the model that measured FCM current and spat our pressure measurements. It was loaded on an ARM Cortex M microcontroller and put through 3,300 tests over 10 different FCMs and two different Freestyle controller boards. The model predicted the correct pressure within a bound of +/- 10 PSI a full 85% of the time.

Admittedly, that would be rubbish for a proper pressure sensor. However, for a simple pseudo-sensor that’s mostly just used to see if there’s pressure in the system? It’s pretty darn good. The pseudo-sensor software has since been deployed on Freestyle machines in the field, with work ongoing to further develop the system’s diagnostics using this new tool.

The pseudo-sensor actually does a pretty good job!

Other Examples

The simple fact is that you can often get by with indirect measurement techniques if you’re constrained by things like cost, complexity, or practicality. We’ve seen other work along these very lines before. Back in 2022, we covered the work of Brian Wyld, who wanted to measure the level of a body of water. Pressure and direct surface-level sensors were impractical, so he got creative. He built a rotating arm with a float on one side, and threw on a microcontroller board with an accelerometer included. The accelerometer readings were enough to allow him to figure out the angle of the float, and in turn, mathematically derive the water level as desired via simple geometry!

“We need to measure the water level but we only have an accelerometer!”
“No problem.” Credit: Brian Wyld

We’ve also seen how this can go wrong. For example, capacitive sensors are often suggested for measuring soil moisture levels. The idea is that by measuring the capacitance of the soil, you can measure how much water content there is. The only problem is that moisture isn’t the only thing that changes the capacitance of the soil.

For these indirect techniques to work well, what you’re measuring needs to have a fairly direct correlation with what you’re trying to find out. Hence why Wyld’s float was a success — because the float angle is directly relevant to the water level. Similarly, in Coca-Cola’s case, pressure was what determined the change in the current curve of the Freestyle FCM. If the curve also changed significantly with ambient temperature or some other factor, it wouldn’t be possible to measure it and get out a reliable pressure value.

Ultimately, pseudo-sensors can be a useful tool to have in your engineering toolkit. They can let you achieve surprising feats with some mathematical insight and basic equipment. Just make sure there’s a strong basis for what you’re doing so you don’t end up with junk outputs that cause you more harm than good.

Monster Jam Showdown – Nuevo Trailer de Gameplay del Modo «Freestyle»

Acrobacias que desafían la gravedad y saltos que dejan boquiabierto encabezan el nuevo tráiler de Monster Jam™ Showdown Freestyle publicado hoy por Milestone y Feld Motor Sports, Inc.

Una serie de eventos que tienen lugar en lugares llenos de rampas y un completo tutorial ayudarán a los fans a dar rienda suelta a su creatividad y realizar las acrobacias más espectaculares. Desde bicicletas a moonwalks, pasando por donuts y stoppies, los amantes de Monster Jam sentirán la esencia de los eventos de la vida real.

Los jugadores podrán vivir el caos del Freestyle tanto en estadios inspirados en las sedes de los eventos oficiales como en arenas al aire libre con aspectos y estilos distintivos. Mientras que los estadios ofrecerán la atmósfera de las competiciones oficiales, con rampas y coches aniquilados, tres entornos temáticos al aire libre transportarán a los jugadores a lugares emblemáticos y extremos.

Con impresionantes efectos visuales que recuerdan al escarpado terreno de Alaska, los sobrecogedores paisajes de Colorado y la implacable tierra del Valle de la Muerte, los jugadores descubrirán originales trazados diseñados para alimentar la creatividad de los jugadores para los trucos más locos, incluyendo moonflips, big air y otros.

Lleva los límites de tu camión más lejos que los pilotos reales destruyendo objetos como drones, dianas colgantes y enormes estructuras de tablero para seguir aumentando el multiplicador de combo.

Monster Jam Showdown estará disponible en PlayStation 5, PlayStation 4, Xbox Series X|S, Xbox One, Nintendo Switch y PC el 29 de agosto de 2024, con Early Access disponible a partir del 26 de agosto de 2024.

Acerca de Monster Jam Showdown

Desarrollado con Unreal Engine 5, Monster Jam Showdown aprovecha la tecnología de vanguardia para crear entornos realistas y meticulosamente detallados, así como un sistema de iluminación y un sistema de física sin precedentes. Con la potencia de Unreal Engine 5, Milestone ha sido capaz de potenciar las posibilidades de juego y busca proporcionar una experiencia satisfactoria capaz de ofrecer a los jugadores todo lo mejor de Monster Jam, y mucho más.

Además de disfrutar de toda la acción de las competiciones oficiales, los jugadores podrán conducir icónicos monster trucks en entornos únicos, enfrentándose a una gran variedad de eventos que harán que la diversión sea tan grande y ruidosa como el propio deporte. Monster Jam Showdown contará con un total de 66 camiones oficiales de Monster Jam (40 camiones estarán incluidos en el juego base y 26 estarán disponibles a través de DLC gratuitos o premium), y más de 140 trabajos de pintura para desbloquear y aplicar. Con el fin de reproducir fielmente los eventos en vivo de Monster Jam, los aficionados competirán en las tres categorías de escenarios: campos de fútbol americano, estadios de béisbol y circuitos de velocidad.

Además, los jugadores podrán conducir sus Monster Jam favoritos en tres entornos originales inspirados en la naturaleza americana: el árido desierto del Valle de la Muerte, los impresionantes bosques y ríos cristalinos de Colorado, y las invernales y salvajes montañas de Alaska. Desde competiciones oficiales como carreras cara a cara y estilo libre hasta eventos especialmente diseñados, un total de 10 modos de juego diferentes garantizarán una sólida mezcla de experiencias arcade tanto online como offline, incluida la pantalla dividida.

Para ofrecer de inmediato la sensación y la emoción de dominar máquinas mecánicas de 1,500 caballos de potencia, Monster Jam Showdown contará con una jugabilidad arcade, así como con ayudas a la conducción completas y personalizables. De este modo, todo el mundo podrá sumergirse en el verdadero espíritu de Monster Jam realizando fácilmente maniobras descomunales y acrobacias dinámicas mientras aplasta a la competencia. Al mismo tiempo, la tecnología y la experiencia de Milestone garantizarán una física realista para ofrecer una experiencia accesible pero gratificante.

  • Más allá de las competiciones oficiales – Sabemos lo que es y significa el mundo Monster Jam para todos sus fans. Es por eso que nuestro objetivo es recrear una reproducción fiel del mismo, junto con entornos únicos y diversos eventos que harán que la diversión sea aún más grande y ruidosa que en la televisión. Competirás en las tres categorías de lugares que albergan eventos de la vida real: todos nuestros estadios están inspirados en los existentes, para que puedas sentir toda la energía de esos eventos. Pero como dijimos, las competiciones oficiales son sólo la superficie de la experiencia general. Podrás conducir tus camiones favoritos en tres entornos originales inspirados en la naturaleza americana: el árido desierto del Valle de la Muerte, los impresionantes bosques y ríos cristalinos de Colorado, y las frías y salvajes montañas de Alaska. Desde carreras cara a cara hasta estilo libre y eventos diseñados específicamente, un total de diez modos de juego diferentes brindarán una sólida combinación de experiencias arcade tanto en línea como fuera de línea, incluida la pantalla dividida.
  • Una plantilla monstruosa – Como puede ver en nuestro arte clave, Grave Digger y Megalodon han sido elegidos para presentar esta nueva entrada en el catálogo de Milestone. Eso es porque sabemos que la esencia misma de Monster Jam, además de las competencias oficiales y exageradas, son sus camionetas icónicas: bestias indómitas de 1.500 caballos de fuerza que puedes desbloquear y dominar. Monster Jam Showdown contará con 66 camiones oficiales (40 en el juego base y 26 a través de DLC gratuitos o premium) y más de 140 diseños para personalizar tus vehículos.
  • Muestra la superestrella que hay en ti – Con bestias tan poderosas bajo tu control, mostrar a los demás de lo que eres realmente capaz significa capturar la verdadera esencia de Monster Jam: es por eso que Monster Jam Showdown contará con un juego arcade dotado de ayudas a la conducción integrales y personalizables. Podrás dominar y mostrar locas maniobras y acrobacias mientras disfrutas de que los camiones y los objetos alrededor se derriban con cada impacto o se impulsan para obtener una inyección adicional de entretenimiento. Gracias a nuestra tecnología y experiencia, garantizaremos una experiencia de juego accesible pero gratificante con física veraz.
  • Utilizando lo último en tecnología – Monster Jam Showdown está desarrollado en Unreal Engine 5: gracias a su tecnología puntera hemos creado entornos auténticos, nunca antes vistos en un juego de Milestone, realzados por muchos detalles gráficos y un sistema de iluminación sin precedentes. También hemos potenciado las posibilidades de juego y el sistema de físicas para ofrecerte la experiencia Monster Jam más actualizada.

Monster Jam Showdown, cuyo lanzamiento está previsto para 2024, estará disponible en PlayStation 5, PlayStation 4, Xbox Series X|S, Xbox One, Nintendo Switch y PC a través de Steam y Epic Games Store el 29 de agosto de 2024, con acceso anticipado disponible a partir del 26 de agosto de 2024.

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