各類運(yùn)動傳感器工作原理揭秘

就在過去兩年中，運(yùn)動傳感技術(shù)已經(jīng)開始遍地開花——視頻控制臺、智能手機(jī)、電視遙控器和個人訓(xùn)練設(shè)備——就在我們給手機(jī)照片打上地理標(biāo)簽、玩視頻游戲以及通過電視機(jī)和有線電視機(jī)頂盒進(jìn)行頻道沖浪之時。這些東西知道我們身處何方、我們的目標(biāo)是什么、我們向哪里移動——上、下、四周和側(cè)面。使這些成為可能的是大量更小、更便宜和更快的新型傳感器。在經(jīng)過最佳集成后，它們能通過空間和時間精確地跟蹤我們的運(yùn)動。這些傳感器套件(加速度計、陀螺儀和磁力傳感器)在跟蹤運(yùn)動方面具有令人吃驚的能力，特別是與如今無所不在的GPS結(jié)合在一起之后。

但這些微型傳感器的潛力仍未被充分發(fā)掘，這里兩個簡單的原因。首先，提取出它們的數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)整合成精確可靠的指向和跟蹤信息是一種比大多數(shù)人想象的更具挑戰(zhàn)性的算法操作，經(jīng)常需要耗費(fèi)大量人力時間。其次，在硬件和應(yīng)用工程師之間有一個普遍(但錯誤)的假設(shè)，即大多數(shù)傳感器提供相似的性能水平，因此通常來自傳感器的數(shù)據(jù)不能滿足他們的應(yīng)用需求。

一般集成進(jìn)消費(fèi)產(chǎn)品的運(yùn)動檢測傳感器包括3軸陀螺儀、3軸加速度計和3軸地磁傳感器。在運(yùn)動跟蹤和絕對方向方面每種傳感器都有自己固有的強(qiáng)項(xiàng)和弱點(diǎn)。最近，傳感器“融合”正在進(jìn)入廣大消費(fèi)產(chǎn)品，成為一種克服單種傳感器弱點(diǎn)的有效方法。傳感器融合是一種復(fù)雜的軟件，它將來自各種傳感器的輸入組合在一起，產(chǎn)生一個更加精確的運(yùn)動檢測結(jié)果。這種軟件通常包含復(fù)雜的算法，如果正確實(shí)現(xiàn)的話可以綜合考慮幾百個變量。

3軸加速度傳感器

加速度計通過測量給定直線軸向的彈簧上的力來檢測直線加速度和重力矢量。加速度計是第一種出現(xiàn)在大批量應(yīng)用中的MEMS傳感器，可以用來實(shí)現(xiàn)汽車中的氣囊部署、照相機(jī)中的圖像防抖和筆記本中的自由落體檢測等功能。任天堂的Wii游戲機(jī)是第一種引入加速度計作為用戶輸入設(shè)備的主要消費(fèi)產(chǎn)品，可以提供手勢識別、基本的運(yùn)動跟蹤和控制器定位等功能?，F(xiàn)在基于許多理由，加速度計已經(jīng)在智能手機(jī)和平板電腦中十分普及，包括檢測設(shè)備朝向、將屏幕從豎屏調(diào)整到橫屏然后再調(diào)整回來等功能。

加速度計在運(yùn)動跟蹤方面有兩個主要的缺點(diǎn)，即：

● 加速度計不能建立絕對或相對的航向。當(dāng)安裝在一個固定的設(shè)備中時，3軸加速度計可以測量單個加速度軸上的加速度。如圖1所示，當(dāng)處于固定狀態(tài)時，可以根據(jù)垂直重力加速度矢量計算出滾動和傾斜角度。然而，航向是圍繞Z軸得到的，無法從重力矢量計算出航向。因此，加速度計不能提供航向。

圖1：重力矢量和圍繞軸的航向、傾斜和滾動。

● 加速度計對運(yùn)動太過敏感，極易導(dǎo)致手的抖動。在短時間內(nèi)這是非常令人惱火的，因?yàn)樗馕吨鈽?biāo)或屏幕渲染的目標(biāo)也會抖動。幾分鐘以上的抖動將導(dǎo)致顯著的累積方向或位置誤差，特別是當(dāng)加速度計的噪聲與抖動在相同數(shù)量級時。目前廣泛使用的低成本消費(fèi)級加速度計的噪聲要比價格更高、體積更大、功耗更高的工業(yè)級加速度計大得多，如圖2所示。

圖2：消費(fèi)級和工業(yè)級加速度計噪聲。

3軸陀螺儀傳感器

陀螺儀(也稱為回轉(zhuǎn)儀或角速度傳感器)可以測量圍繞軸的旋轉(zhuǎn)角速度，并通過推導(dǎo)得到圍繞軸的旋轉(zhuǎn)角度。從20世紀(jì)早期推出以來，陀螺儀已經(jīng)從巨大的銅制臺式模型縮小到今天的低成本低功耗小型MEMS芯片，可以安裝在指甲蓋下方。消費(fèi)級陀螺儀于90年代中期最先集成進(jìn)Gyration公司的Air Mouse，后來MEMS陀螺儀被廣泛用于羅技的MX Air定點(diǎn)設(shè)備和LG的智能電視機(jī)遙控器等產(chǎn)品中。任天堂的Wii通過在Motion Plus控制器中增加陀螺儀進(jìn)一步增強(qiáng)了游戲體驗(yàn)。陀螺儀還被添加進(jìn)iPhone 3GS中，用于擴(kuò)展游戲潛能，改進(jìn)基于位置的服務(wù)(LBS)功能的可用性。

就跟加速度計一樣，陀螺儀也有不足：

● 陀螺儀不能提供絕對基準(zhǔn)。因?yàn)檫@個原因，它們通常與加速度計一起使用，由加速度計提供向“下”的絕對基準(zhǔn)，從而也為傾斜和滾動讀數(shù)提供絕對基準(zhǔn)。陀螺儀經(jīng)常還要與地磁傳感器一起使用，由后者提供航向的絕對基準(zhǔn)。

● 陀螺儀的零偏或零偏移會隨時間漂移。如果不及時校正，將成為系統(tǒng)誤差的一個主要來源。例如，即使系統(tǒng)實(shí)際處于停止?fàn)顟B(tài)，陀螺儀輸出也會報告系統(tǒng)在移動。作為參考，錯誤零偏讀數(shù)為0.07°，對消費(fèi)級陀螺儀來說這是分辨率極限，在30秒后將導(dǎo)致2.1°的誤差。圖3顯示了在8分鐘周期內(nèi)典型的未校正零偏變化，而圖4顯示了這種誤差是如何轉(zhuǎn)變成航向的。

圖3：陀螺儀隨時間的偏移變化。

圖4：由于陀螺儀零偏變化引起的航向誤差。