傳感器融合增強設備性能解析

　　隨著智能手機等功能強大的智能設備不斷進步，新的應用層出不窮，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)導航和增強現(xiàn)實等使用運動或位置數(shù)據(jù)的新應用，都要求用戶接受原本是為簡單游戲應用開發(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)這些實現(xiàn)具有相當多的缺點，并且精度很低。

　　傳感器融合是一種創(chuàng)新的工程技術，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或感知信息。要想實現(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)缺點很重要。一種可成功實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫，并通過補償每種傳感器的缺點，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)導航與早期的GPS設備非常類似，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，因此大多數(shù)廠商都認為這是實現(xiàn)產(chǎn)品差異化的良好契機。

　　另外一個例子是從虛擬現(xiàn)實到增強現(xiàn)實的進步。在虛擬現(xiàn)實（VR）系統(tǒng)中，用戶與現(xiàn)實世界相隔離，沉浸于一個人造世界中。而在增強現(xiàn)實（AR）系統(tǒng)中，用戶仍能與現(xiàn)實世界相接觸，同時又能與他們周圍的虛擬物體進行互動。利用現(xiàn)有的技術，信息傳送的延遲對用戶來說是不能忍受的-增強現(xiàn)實中的這種錯位可能導致非常糟糕的用戶體驗。

　　對OEM廠商和平臺開發(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用穩(wěn)定工作要求的性能。舉例來說，安卓設備中有許多不同的軟硬件組合，每種組合都會產(chǎn)生不同的輸出質(zhì)量。目前沒有標準的測試程序，這意味著應用開發(fā)人員不能依靠安卓傳感器數(shù)據(jù)在許多不同平臺上實現(xiàn)相同的性能。以下是用運動跟蹤攝像頭系統(tǒng)分析和比較不同軟硬件組合性能從而設定最小性能標準的建議。性能分析是通過測量系統(tǒng)的4個關鍵性能指標（KPI）實現(xiàn)的，這些指標是：靜態(tài)精度、動態(tài)精度、方位穩(wěn)定時間和校準時間。

　　攝像頭系統(tǒng)通過跟蹤物體上的標記根據(jù)物體（智能手機）的運動產(chǎn)生方位矢量，這些矢量再與手機中傳感器創(chuàng)建的矢量進行比較。數(shù)據(jù)記錄應用程序?qū)@些矢量進行同時記錄，該應用程序支持最終用戶設備的直接比較。

　　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(zhí)行的、包括性能結果測量在內(nèi)的一種測試方法。

　　文章所描述的融合庫使用加速度計、磁力計和陀螺儀傳感器信號補償彼此的缺點，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鍵器件的優(yōu)缺點，以及它們是如何補償彼此缺點的。

　　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，方位是相對于一個坐標系中規(guī)定的參考系進行定義的。至少需要3個獨立的值作為三維矢量的一部分，用于描述真正的方位。物體的所有點在旋轉過程中都會改變它們的位置，位于旋轉軸上的點除外。

　　磁力計

　　磁力計對干擾性的本地磁場和畸變高度敏感，它們?nèi)菀自斐捎嬎愕玫降拇藕较虺霈F(xiàn)錯誤。陀螺儀可以用來在沒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給陀螺儀數(shù)據(jù)提供比磁力計數(shù)據(jù)更多的權重，就可以精確地進行補償。

　　地球磁場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。當設備不處于水平位置時，即傾斜角不是零時，航向計算將不正確。因此在利用加速度計，通過旋轉XY平面對方位進行計算之前，確保這些傾斜角得到補償很重要。

　　加速度計

　　加速度計只能測量因設備運動引起的加速度和因重力引起的加速度在內(nèi)的總加速度值，而不能檢測二者之間的區(qū)別，因此需要將重力和運動分開來：

　　線性加速度＝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，重力傳感器的輸出應該與加速度計的輸出相同。

　　線性加速度可以被看作是一個指示每個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關。

　　此時就用得到陀螺儀了。陀螺儀可以用來檢測設備何時處于靜止狀態(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過程中的動態(tài)分量（線性加速度）。

　　陀螺儀

　　陀螺儀可以提供圍繞著三個軸的旋轉速度，因此可以用來跟蹤設備在運動中的方位。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(wěn)定狀態(tài)，陀螺儀也會隨著時間和溫度的變化發(fā)生一定程度的旋轉。為了糾正這些誤差，可以用高穩(wěn)定性的加速度計檢測靜止狀態(tài)，然后經(jīng)計算進行適當?shù)难a償。

　　現(xiàn)實世界設計

　　傳感器融合是一個高度專業(yè)化的設計領域，需要熟練掌握建模和仿真技術。它要求盡最大可能地理解傳感器的工作細節(jié)以及它們的缺點和交互情況。多年來，人們的關注點已經(jīng)被帶進導航、智能手機應用和游戲等領域。但直到現(xiàn)在，借助大量知識的儲備和累積，才使得人們可以獲得真實和精確的結果。

　　在基于傳感器融合的系統(tǒng)中，操作需要進行精細調(diào)整。現(xiàn)實世界中沒有什么事像“即插即用”這么簡單。一個系統(tǒng)的試運行要求必須調(diào)整參數(shù)，而且每個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程。如今的軟件具有以很高層次執(zhí)行這種“精細調(diào)整”的能力，并且可以向OEM廠商提供簡單直觀的濾波器調(diào)整程序。

　　預定義濾波器使得精細調(diào)整速度更快

　　既然傳感器融合操作的精細調(diào)整已發(fā)展并簡化成了濾波器調(diào)整任務，它就給開發(fā)人員提供了一個有價值的機會。通過適當調(diào)整濾波器，開發(fā)人員或OEM廠商可以讓最終產(chǎn)品以市場差異化的方式運行。由于所有權衡管理都是自動完成的，開發(fā)人員可以做出有效的決策，例如在最高穩(wěn)定性和最高性能之間做出權衡，以便適應最終目標市場。

　　關鍵性能指標測量設置

　　所有傳感器融合技術并不等同。在現(xiàn)有的實現(xiàn)技術和測試方面，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)過驗證的精確庫的正確軟件方法。

　　所有硬件在接口和時序參數(shù)方面必須兼容和匹配。合理的方法是確保攝像頭系統(tǒng)的性能，這些系統(tǒng)將通過跟蹤物體上的標記根據(jù)物體（本例中是智能手機）移動產(chǎn)生方位矢量。方位矢量再與傳感器創(chuàng)建的、用數(shù)據(jù)記錄應用同時記錄的矢量進行比較。使用這種基于攝像機的系統(tǒng)允許對最終商用設備進行直接比較。

　　靜態(tài)精度

　　靜態(tài)精度被定義為設備置于穩(wěn)定位置時，測量到的設備方位與實際設備方位之間的偏差。為了計算靜態(tài)精度，需要手機在多個位置靜止放置時收集航向、俯仰和滾轉方面的成套數(shù)據(jù)。一個設備的靜態(tài)精度主要受磁力計和陀螺儀的硬件參數(shù)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，最終用戶可以在羅盤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到抖動（很小的旋轉移動）。這是由于軟件校正陀螺儀漂移引起的。

　　動態(tài)精度

　　動態(tài)精度被定義為設備在運動時，測量到的設備方位與實際設備方位之間的偏差。由于在運動期間涉及到旋轉加速度，測量起來更加困難。動態(tài)精度是在手機以不同運動模式（8字舞、慢速線性、快速和慢速旋轉以及游戲動作）運動時，通過采集航向、俯仰和滾轉等成套數(shù)據(jù)進行計算的。所有數(shù)據(jù)都以最快可能的數(shù)據(jù)速率進行采集。

　　在具有低動態(tài)精度的設備中，最終用戶可以看到屏幕上的移動與設備實際運動之間有很大偏差。這在增強現(xiàn)實應用中特別引人注意，因為增強單元的移動與現(xiàn)實世界不是同步的。這也是用戶在使用虛擬現(xiàn)實幾分鐘后就感到不滿意的原因之一。

　　雖然直接關系不是很明顯，但大誤差的動態(tài)精度也是室內(nèi)導航應用性能差的主要原因。由于用戶在已知固定點之間導航（比如從Wi-Fi或藍牙信標開始），傳感器數(shù)據(jù)可用于計算軌跡。然而，航向誤差將隨著時間的推移而累積，因此具有15°較差動態(tài)精度的設備很容易在20s～30s時間內(nèi)產(chǎn)生超過100°的累積誤差。諸如地圖匹配等更高層處理也許可以做些修正，但代價是更大的功耗。

　　校準時間

　　校準時間被定義為在純凈的磁場環(huán)境中校準設備中的磁力傳感器，使之從未校準狀態(tài)到完全校準狀態(tài)所需的時間。所有磁性傳感器都需要進行校準，但用于校準的方法定義了最終用戶是否需要校準以及如何去校準。

　　一些設備采用8字舞校準方法，即提示最終用戶將設備在空氣中做8字運動完成設備的校準。即使是由有經(jīng)驗的測試人員來做，這種方法也要花5s～6s的時間才能完成設備校準。

　　具有較短校準時間的設備使用陀螺儀校準磁力傳感器，這意味著校準可以在背景中運行，所要求的設備移動幅度要小得多。這些移動通常在正常操作中進行，最終用戶永遠不必主動去校準傳感器。博世傳感器技術公司的快速磁力校準（FMC）算法就是使用后一種方法來確保較短的校準時間。

　　方位穩(wěn)定時間

　　方位穩(wěn)定時間被定義為“運動之后”到達精確、穩(wěn)定方位狀態(tài)所需的時間。方位穩(wěn)定時間應盡可能短，以便用戶看不到他們停止移動設備與設備停止移動并穩(wěn)定到正確位置之間的延遲。當設備的靜態(tài)和動態(tài)精度都很差時，設備上的這種延遲就很明顯，因為需要更多時間校正移動中累積的誤差。這種效應在需要實時響應的游戲和虛擬/增強現(xiàn)實應用中尤其令人討厭。

　　從詳細的評估和分析來看， 顯然本文所述的傳感器融合現(xiàn)在可以廣泛應用于專業(yè)級和消費級市場。現(xiàn)場試驗表明，用戶可以在性能和精度方面獲得有價值的升級。雖然硬件和軟件方面的概念和工程技術比較復雜，但對開發(fā)人員來說，從當前傳感器融合過渡到這種先進解決方案的任務卻相對簡單。

　　傳感器融合技術現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到相當成熟的階段。通過將傳感器和傳感器融合構建模塊設計到相同封裝中，可以確保這些單元得到最優(yōu)化，并能夠很好地協(xié)同工作。系統(tǒng)設計師不再需要在組裝、優(yōu)化和調(diào)試傳統(tǒng)“永遠在線”子系統(tǒng)方面花費時間，因為通過設計，每個器件都對最高精度和最低功耗做了優(yōu)化。

　　這種高度的技術和設計創(chuàng)造性帶給開發(fā)人員的優(yōu)勢，可以給OEM廠商提供巨大好處，他們不僅能夠向市場推出高度差異化的產(chǎn)品，而且其向用戶提供的整個新一代電子設備還將具有顯著改進的性能和功效。