如何利用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。