技術(shù)解析：傳感器融合增強設備性能

　　隨著(zhù)智能手機等功能強大的智能設備不斷進(jìn)步，新的應用層出不窮，系統開(kāi)發(fā)經(jīng)常跟不上不斷變化的新要求。如今，諸如室內導航和增強現實(shí)等使用運動(dòng)或位置數據的新應用，都要求用戶(hù)接受原本是為簡(jiǎn)單游戲應用開(kāi)發(fā)的、不太完美的傳感器融合。但是，最終用戶(hù)很容易發(fā)現這些實(shí)現具有相當多的缺點(diǎn)，并且精度很低。

　　傳感器融合是一種創(chuàng )新的工程技術(shù)，通過(guò)整合來(lái)自各種系統傳感器的數據，來(lái)保證更加精確、完整和可靠的傳感器信號或感知信息。要想實(shí)現始終精確的傳感器融合，工程師在決定如何優(yōu)化整合來(lái)自這些傳感器的數據之前，深入理解傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)很重要。一種可成功實(shí)現的方法是使用基于加速度計、磁力計和陀螺儀等傳感器信號的融合數據庫，并通過(guò)補償每種傳感器的缺點(diǎn)，來(lái)提供高精度、可靠和穩定的方位數據。

　　隨著(zhù)最終用戶(hù)不斷接觸到這些新的應用，他們希望能有更加精確和可靠的解決方案。將傳感器用于在已知固定位置之間跟蹤用戶(hù)的室內導航與早期的GPS設備非常類(lèi)似，只有質(zhì)量?jì)?yōu)異的傳感器融合，才可以提供所要求的逼真度、精度乃至用戶(hù)信心。OEM廠(chǎng)商都明白這一點(diǎn)，因此大多數廠(chǎng)商都認為這是實(shí)現產(chǎn)品差異化的良好契機。

　　另外一個(gè)例子是從虛擬現實(shí)到增強現實(shí)的進(jìn)步。在虛擬現實(shí)（VR）系統中，用戶(hù)與現實(shí)世界相隔離，沉浸于一個(gè)人造世界中。而在增強現實(shí)（AR）系統中，用戶(hù)仍能與現實(shí)世界相接觸，同時(shí)又能與他們周?chē)奶摂M物體進(jìn)行互動(dòng)。利用現有的技術(shù)，信息傳送的延遲對用戶(hù)來(lái)說(shuō)是不能忍受的-增強現實(shí)中的這種錯位可能導致非常糟糕的用戶(hù)體驗。

　　對OEM廠(chǎng)商和平臺開(kāi)發(fā)人員（即操作系統開(kāi)發(fā)人員）來(lái)說(shuō)，最大的挑戰是需要確保所有器件都能提供滿(mǎn)足這些應用穩定工作要求的性能。舉例來(lái)說(shuō)，安卓設備中有許多不同的軟硬件組合，每種組合都會(huì )產(chǎn)生不同的輸出質(zhì)量。目前沒(méi)有標準的測試程序，這意味著(zhù)應用開(kāi)發(fā)人員不能依靠安卓傳感器數據在許多不同平臺上實(shí)現相同的性能。以下是用運動(dòng)跟蹤攝像頭系統分析和比較不同軟硬件組合性能從而設定最小性能標準的建議。性能分析是通過(guò)測量系統的4個(gè)關(guān)鍵性能指標（KPI）實(shí)現的，這些指標是：靜態(tài)精度、動(dòng)態(tài)精度、方位穩定時(shí)間和校準時(shí)間。

　　攝像頭系統通過(guò)跟蹤物體上的標記根據物體（智能手機）的運動(dòng)產(chǎn)生方位矢量，這些矢量再與手機中傳感器創(chuàng )建的矢量進(jìn)行比較。數據記錄應用程序對這些矢量進(jìn)行同時(shí)記錄，該應用程序支持最終用戶(hù)設備的直接比較。

　　本文將介紹智能手機環(huán)境中傳感器融合的概念，討論如何使用傳感器融合軟件提高總體精度，并介紹在許多旗艦智能手機上執行的、包括性能結果測量在內的一種測試方法。

　　文章所描述的融合庫使用加速度計、磁力計和陀螺儀傳感器信號補償彼此的缺點(diǎn)，并提供高精度、可靠和穩定的方位數據。下面著(zhù)重分析這些關(guān)鍵器件的優(yōu)缺點(diǎn)，以及它們是如何補償彼此缺點(diǎn)的（圖1）。

　　圖1：MEMS傳感器的固有特性。

　　物體的方位描述了它在三維空間中是如何放置的，一般來(lái)說(shuō)，方位是相對于一個(gè)坐標系中規定的參考系進(jìn)行定義的。至少需要3個(gè)獨立的值作為三維矢量的一部分，用于描述真正的方位。物體的所有點(diǎn)在旋轉過(guò)程中都會(huì )改變它們的位置，位于旋轉軸上的點(diǎn)除外。

　　磁力計

　　磁力計對干擾性的本地磁場(chǎng)和畸變高度敏感，它們容易造成計算得到的磁航向出現錯誤。陀螺儀可以用來(lái)在沒(méi)有旋轉記錄的情況下檢測這種干擾和航向變化。傳感器融合隨后通過(guò)給陀螺儀數據提供比磁力計數據更多的權重，就可以精確地進(jìn)行補償。

　　地球磁場(chǎng)的水平分量用于計算磁航向，而俯仰角和滾轉角分別是沿著(zhù)水平（X）和垂直（Y）軸的傾斜角。這些傾斜角影響XY軸方向的磁場(chǎng)。當設備不處于水平位置時(shí)，即傾斜角不是零時(shí)，航向計算將不正確。因此在利用加速度計，通過(guò)旋轉XY平面對方位進(jìn)行計算之前，確保這些傾斜角得到補償很重要。

　　加速度計

　　加速度計只能測量因設備運動(dòng)引起的加速度和因重力引起的加速度在內的總加速度值，而不能檢測二者之間的區別，因此需要將重力和運動(dòng)分開(kāi)來(lái)：

　　線(xiàn)性加速度＝加速度－重力加速度

　　可以將重力矢量想象為一種指示重力方向和幅度的三維矢量。當設備處于靜止狀態(tài)時(shí)，重力傳感器的輸出應該與加速度計的輸出相同。

　　線(xiàn)性加速度可以被看作是一個(gè)指示每個(gè)設備軸向加速度的三維矢量，并且在手機應用中被認為與重力分量無(wú)關(guān)。

　　此時(shí)就用得到陀螺儀了。陀螺儀可以用來(lái)檢測設備何時(shí)處于靜止狀態(tài)，并觸發(fā)重力矢量偏移校準的計算。結果可再轉而用于計算設備運動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)分量（線(xiàn)性加速度）。

　　陀螺儀

　　陀螺儀可以提供圍繞著(zhù)三個(gè)軸的旋轉速度，因此可以用來(lái)跟蹤設備在運動(dòng)中的方位。陀螺儀可以跟蹤的旋轉速度高達2000度每秒（dps），而磁力計可跟蹤的速度被限制在約400dps以下。但是，陀螺儀只能輸出相對位置，因此需要有一個(gè)不失真的磁力傳感器作為參考。

　　所有消費級陀螺儀都存在固有的漂移誤差，因此即使設備處于穩定狀態(tài)，陀螺儀也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間和溫度的變化發(fā)生一定程度的旋轉。為了糾正這些誤差，可以用高穩定性的加速度計檢測靜止狀態(tài)，然后經(jīng)計算進(jìn)行適當的補償。

　　現實(shí)世界設計

　　傳感器融合是一個(gè)高度專(zhuān)業(yè)化的設計領(lǐng)域，需要熟練掌握建模和仿真技術(shù)。它要求盡最大可能地理解傳感器的工作細節以及它們的缺點(diǎn)和交互情況。多年來(lái)，人們的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)被帶進(jìn)導航、智能手機應用和游戲等領(lǐng)域。但直到現在，借助大量知識的儲備和累積，才使得人們可以獲得真實(shí)和精確的結果。

　　在基于傳感器融合的系統中，操作需要進(jìn)行精細調整?，F實(shí)世界中沒(méi)有什么事像“即插即用”這么簡(jiǎn)單。一個(gè)系統的試運行要求必須調整參數，而且每個(gè)傳感器的操作之間存在交互，因此很容易變成高度復雜的反復過(guò)程。如今的軟件具有以很高層次執行這種“精細調整”的能力，并且可以向OEM廠(chǎng)商提供簡(jiǎn)單直觀(guān)的濾波器調整程序（圖2）。

　　圖2：典型的傳感器融合軟件架構。

　　預定義濾波器使得精細調整速度更快

　　既然傳感器融合操作的精細調整已發(fā)展并簡(jiǎn)化成了濾波器調整任務(wù)，它就給開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)有價(jià)值的機會(huì )。通過(guò)適當調整濾波器，開(kāi)發(fā)人員或OEM廠(chǎng)商可以讓最終產(chǎn)品以市場(chǎng)差異化的方式運行。由于所有權衡管理都是自動(dòng)完成的，開(kāi)發(fā)人員可以做出有效的決策，例如在最高穩定性和最高性能之間做出權衡，以便適應最終目標市場(chǎng)。

　　關(guān)鍵性能指標測量設置

　　所有傳感器融合技術(shù)并不等同。在現有的實(shí)現技術(shù)和測試方面，不同供應商之間有很大差異。為了得到正確結果，必須采用含有經(jīng)過(guò)驗證的精確庫的正確軟件方法。

　　所有硬件在接口和時(shí)序參數方面必須兼容和匹配。合理的方法是確保攝像頭系統的性能，這些系統將通過(guò)跟蹤物體上的標記根據物體（本例中是智能手機）移動(dòng)產(chǎn)生方位矢量。方位矢量再與傳感器創(chuàng )建的、用數據記錄應用同時(shí)記錄的矢量進(jìn)行比較。使用這種基于攝像機的系統允許對最終商用設備進(jìn)行直接比較。

　　靜態(tài)精度

　　靜態(tài)精度被定義為設備置于穩定位置時(shí)，測量到的設備方位與實(shí)際設備方位之間的偏差。為了計算靜態(tài)精度，需要手機在多個(gè)位置靜止放置時(shí)收集航向、俯仰和滾轉方面的成套數據。一個(gè)設備的靜態(tài)精度主要受磁力計和陀螺儀的硬件參數以及軟件中給它們分別分配的權重影響。在具有低靜態(tài)精度值的設備中，最終用戶(hù)可以在羅盤(pán)或地圖應用的絕對航向中看到很大偏差，當設備處于靜態(tài)狀態(tài)，他們還能在交互式應用中見(jiàn)到抖動(dòng)（很小的旋轉移動(dòng)）。這是由于軟件校正陀螺儀漂移引起的。

　　動(dòng)態(tài)精度

　　動(dòng)態(tài)精度被定義為設備在運動(dòng)時(shí)，測量到的設備方位與實(shí)際設備方位之間的偏差。由于在運動(dòng)期間涉及到旋轉加速度，測量起來(lái)更加困難。動(dòng)態(tài)精度是在手機以不同運動(dòng)模式（8字舞、慢速線(xiàn)性、快速和慢速旋轉以及游戲動(dòng)作）運動(dòng)時(shí)，通過(guò)采集航向、俯仰和滾轉等成套數據進(jìn)行計算的。所有數據都以最快可能的數據速率進(jìn)行采集。

　　在具有低動(dòng)態(tài)精度的設備中，最終用戶(hù)可以看到屏幕上的移動(dòng)與設備實(shí)際運動(dòng)之間有很大偏差。這在增強現實(shí)應用中特別引人注意，因為增強單元的移動(dòng)與現實(shí)世界不是同步的。這也是用戶(hù)在使用虛擬現實(shí)幾分鐘后就感到不滿(mǎn)意的原因之一。

　　雖然直接關(guān)系不是很明顯，但大誤差的動(dòng)態(tài)精度也是室內導航應用性能差的主要原因。由于用戶(hù)在已知固定點(diǎn)之間導航（比如從Wi-Fi或藍牙信標開(kāi)始），傳感器數據可用于計算軌跡。然而，航向誤差將隨著(zhù)時(shí)間的推移而累積，因此具有15°較差動(dòng)態(tài)精度的設備很容易在20s～30s時(shí)間內產(chǎn)生超過(guò)100°的累積誤差。諸如地圖匹配等更高層處理也許可以做些修正，但代價(jià)是更大的功耗（圖3）。

　　圖3：方位隨時(shí)間發(fā)生偏離。

　　校準時(shí)間

　　校準時(shí)間被定義為在純凈的磁場(chǎng)環(huán)境中校準設備中的磁力傳感器，使之從未校準狀態(tài)到完全校準狀態(tài)所需的時(shí)間。所有磁性傳感器都需要進(jìn)行校準，但用于校準的方法定義了最終用戶(hù)是否需要校準以及如何去校準。

　　一些設備采用8字舞校準方法，即提示最終用戶(hù)將設備在空氣中做8字運動(dòng)完成設備的校準。即使是由有經(jīng)驗的測試人員來(lái)做，這種方法也要花5s～6s的時(shí)間才能完成設備校準。

　　具有較短校準時(shí)間的設備使用陀螺儀校準磁力傳感器，這意味著(zhù)校準可以在背景中運行，所要求的設備移動(dòng)幅度要小得多。這些移動(dòng)通常在正常操作中進(jìn)行，最終用戶(hù)永遠不必主動(dòng)去校準傳感器。博世傳感器技術(shù)公司的快速磁力校準（FMC）算法就是使用后一種方法來(lái)確保較短的校準時(shí)間。

　　方位穩定時(shí)間

　　方位穩定時(shí)間被定義為“運動(dòng)之后”到達精確、穩定方位狀態(tài)所需的時(shí)間。方位穩定時(shí)間應盡可能短，以便用戶(hù)看不到他們停止移動(dòng)設備與設備停止移動(dòng)并穩定到正確位置之間的延遲。當設備的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度都很差時(shí)，設備上的這種延遲就很明顯，因為需要更多時(shí)間校正移動(dòng)中累積的誤差。這種效應在需要實(shí)時(shí)響應的游戲和虛擬/增強現實(shí)應用中尤其令人討厭。

　　從詳細的評估和分析來(lái)看， 顯然本文所述的傳感器融合現在可以廣泛應用于專(zhuān)業(yè)級和消費級市場(chǎng)?，F場(chǎng)試驗表明，用戶(hù)可以在性能和精度方面獲得有價(jià)值的升級。雖然硬件和軟件方面的概念和工程技術(shù)比較復雜，但對開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，從當前傳感器融合過(guò)渡到這種先進(jìn)解決方案的任務(wù)卻相對簡(jiǎn)單。

　　傳感器融合技術(shù)現在已經(jīng)發(fā)展到相當成熟的階段。通過(guò)將傳感器和傳感器融合構建模塊設計到相同封裝中，可以確保這些單元得到最優(yōu)化，并能夠很好地協(xié)同工作。系統設計師不再需要在組裝、優(yōu)化和調試傳統“永遠在線(xiàn)”子系統方面花費時(shí)間，因為通過(guò)設計，每個(gè)器件都對最高精度和最低功耗做了優(yōu)化。

　　這種高度的技術(shù)和設計創(chuàng )造性帶給開(kāi)發(fā)人員的優(yōu)勢，可以給OEM廠(chǎng)商提供巨大好處，他們不僅能夠向市場(chǎng)推出高度差異化的產(chǎn)品，而且其向用戶(hù)提供的整個(gè)新一代電子設備還將具有顯著(zhù)改進(jìn)的性能和功效。