如何利用傳感器融合增強(qiáng)設(shè)備性能

　　隨著智能手機(jī)等功能強(qiáng)大的智能設(shè)備不斷進(jìn)步，新的應(yīng)用層出不窮，系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)常跟不上不斷變化的新要求。如今，諸如室內(nèi)導(dǎo)航和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等使用運(yùn)動(dòng)或位置數(shù)據(jù)的新應(yīng)用，都要求用戶接受原本是為簡單游戲應(yīng)用開發(fā)的、不太完美的傳感器融合。但是，最終用戶很容易發(fā)現(xiàn)這些實(shí)現(xiàn)具有相當(dāng)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)，通過整合來自各種系統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù)，來保證更加精確、完整和可靠的傳感器信號(hào)或感知信息。要想實(shí)現(xiàn)始終精確的傳感器融合，工程師在決定如何優(yōu)化整合來自這些傳感器的數(shù)據(jù)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(xiàn)的方法是使用基于加速度計(jì)、磁力計(jì)和陀螺儀等傳感器信號(hào)的融合數(shù)據(jù)庫，并通過補(bǔ)償每種傳感器的缺點(diǎn)，來提供高精度、可靠和穩(wěn)定的方位數(shù)據(jù)。

　　隨著最終用戶不斷接觸到這些新的應(yīng)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的室內(nèi)導(dǎo)航與早期的GPS設(shè)備非常類似，只有質(zhì)量優(yōu)異的傳感器融合，才可以提供所要求的逼真度、精度乃至用戶信心。OEM廠商都明白這一點(diǎn)，因此大多數(shù)廠商都認(rèn)為這是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化的良好契機(jī)。

　　另外一個(gè)例子是從虛擬現(xiàn)實(shí)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的進(jìn)步。在虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)系統(tǒng)中，用戶與現(xiàn)實(shí)世界相隔離，沉浸于一個(gè)人造世界中。而在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)系統(tǒng)中，用戶仍能與現(xiàn)實(shí)世界相接觸，同時(shí)又能與他們周圍的虛擬物體進(jìn)行互動(dòng)。利用現(xiàn)有的技術(shù)，信息傳送的延遲對用戶來說是不能忍受的—增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的這種錯(cuò)位可能導(dǎo)致非常糟糕的用戶體驗(yàn)。

　　對OEM廠商和平臺(tái)開發(fā)人員(即操作系統(tǒng)開發(fā)人員)來說，最大的挑戰(zhàn)是需要確保所有器件都能提供滿足這些應(yīng)用穩(wěn)定工作要求的性能。舉例來說，安卓設(shè)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。目前沒有標(biāo)準(zhǔn)的測試程序，這意味著應(yīng)用開發(fā)人員不能依靠安卓傳感器數(shù)據(jù)在許多不同平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)相同的性能。以下是用運(yùn)動(dòng)跟蹤攝像頭系統(tǒng)分析和比較不同軟硬件組合性能從而設(shè)定最小性能標(biāo)準(zhǔn)的建議。性能分析是通過測量系統(tǒng)的4個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPI)實(shí)現(xiàn)的，這些指標(biāo)是：靜態(tài)精度、動(dòng)態(tài)精度、方位穩(wěn)定時(shí)間和校準(zhǔn)時(shí)間。

　　攝像頭系統(tǒng)通過跟蹤物體上的標(biāo)記根據(jù)物體(智能手機(jī))的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生方位矢量，這些矢量再與手機(jī)中傳感器創(chuàng)建的矢量進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用程序?qū)@些矢量進(jìn)行同時(shí)記錄，該應(yīng)用程序支持最終用戶設(shè)備的直接比較。

　　本文將介紹智能手機(jī)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(jī)上執(zhí)行的、包括性能結(jié)果測量在內(nèi)的一種測試方法。

　　文章所描述的融合庫使用加速度計(jì)、磁力計(jì)和陀螺儀傳感器信號(hào)補(bǔ)償彼此的缺點(diǎn)，并提供高精度、可靠和穩(wěn)定的方位數(shù)據(jù)。下面著重分析這些關(guān)鍵器件的優(yōu)缺點(diǎn)，以及它們是如何補(bǔ)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，一般來說，方位是相對于一個(gè)坐標(biāo)系中規(guī)定的參考系進(jìn)行定義的。至少需要3個(gè)獨(dú)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(zhuǎn)過程中都會(huì)改變它們的位置，位于旋轉(zhuǎn)軸上的點(diǎn)除外。

　　磁力計(jì)

　　磁力計(jì)對干擾性的本地磁場和畸變高度敏感，它們?nèi)菀自斐捎?jì)算得到的磁航向出現(xiàn)錯(cuò)誤。陀螺儀可以用來在沒有旋轉(zhuǎn)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給陀螺儀數(shù)據(jù)提供比磁力計(jì)數(shù)據(jù)更多的權(quán)重，就可以精確地進(jìn)行補(bǔ)償。

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