如何利用傳感器融合增強設備性能

　　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。