各類運(yùn)動(dòng)傳感器工作原理揭秘

就在過(guò)去兩年中，運(yùn)動(dòng)傳感技術(shù)已經(jīng)開始遍地開花——視頻控制臺(tái)、智能手機(jī)、電視遙控器和個(gè)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(guò)電視機(jī)和有線電視機(jī)頂盒進(jìn)行頻道沖浪之時(shí)。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(dòng)——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(guò)最佳集成后，它們能通過(guò)空間和時(shí)間精確地跟蹤我們的運(yùn)動(dòng)。這些傳感器套件(加速度計(jì)、陀螺儀和磁力傳感器)在跟蹤運(yùn)動(dòng)方面具有令人吃驚的能力，特別是與如今無(wú)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(gè)簡(jiǎn)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(shí)間。其次，在硬件和應(yīng)用工程師之間有一個(gè)普遍(但錯(cuò)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(lái)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(dòng)檢測(cè)傳感器包括3軸陀螺儀、3軸加速度計(jì)和3軸地磁傳感器。在運(yùn)動(dòng)跟蹤和絕對(duì)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(lái)自各種傳感器的輸入組合在一起，產(chǎn)生一個(gè)更加精確的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(gè)變量。

3軸加速度傳感器

加速度計(jì)通過(guò)測(cè)量給定直線軸向的彈簧上的力來(lái)檢測(cè)直線加速度和重力矢量。加速度計(jì)是第一種出現(xiàn)在大批量應(yīng)用中的MEMS傳感器，可以用來(lái)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(cè)等功能。任天堂的Wii游戲機(jī)是第一種引入加速度計(jì)作為用戶輸入設(shè)備的主要消費(fèi)產(chǎn)品，可以提供手勢(shì)識(shí)別、基本的運(yùn)動(dòng)跟蹤和控制器定位等功能。現(xiàn)在基于許多理由，加速度計(jì)已經(jīng)在智能手機(jī)和平板電腦中十分普及，包括檢測(cè)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(lái)等功能。

加速度計(jì)在運(yùn)動(dòng)跟蹤方面有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)，即：

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

圖1：重力矢量和圍繞軸的航向、傾斜和滾動(dòng)。

● 加速度計(jì)對(duì)運(yùn)動(dòng)太過(guò)敏感，極易導(dǎo)致手的抖動(dòng)。在短時(shí)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(huì)抖動(dòng)。幾分鐘以上的抖動(dòng)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(jì)的噪聲與抖動(dòng)在相同數(shù)量級(jí)時(shí)。目前廣泛使用的低成本消費(fèi)級(jí)加速度計(jì)的噪聲要比價(jià)格更高、體積更大、功耗更高的工業(yè)級(jí)加速度計(jì)大得多，如圖2所示。

圖2：消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)加速度計(jì)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(cè)量圍繞軸的旋轉(zhuǎn)角速度，并通過(guò)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(lái)，陀螺儀已經(jīng)從巨大的銅制臺(tái)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(jí)陀螺儀于90年代中期最先集成進(jìn)Gyration公司的Air Mouse，后來(lái)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(guò)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(jì)一樣，陀螺儀也有不足：

● 陀螺儀不能提供絕對(duì)基準(zhǔn)。因?yàn)檫@個(gè)原因，它們通常與加速度計(jì)一起使用，由加速度計(jì)提供向“下”的絕對(duì)基準(zhǔn)，從而也為傾斜和滾動(dòng)讀數(shù)提供絕對(duì)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(duì)基準(zhǔn)。

● 陀螺儀的零偏或零偏移會(huì)隨時(shí)間漂移。如果不及時(shí)校正，將成為系統(tǒng)誤差的一個(gè)主要來(lái)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(huì)報(bào)告系統(tǒng)在移動(dòng)。作為參考，錯(cuò)誤零偏讀數(shù)為0.07°，對(duì)消費(fèi)級(jí)陀螺儀來(lái)說(shuō)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(shí)間的偏移變化。

圖4：由于陀螺儀零偏變化引起的航向誤差。