技術(shù)解析：傳感器融合增強設(shè)備性能

　　隨著智能手機等功能強大的智能設(shè)備不斷進步，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)航和增強現(xiàn)實等使用運動或位置數(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)這些實現(xiàn)具有相當(dāng)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(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(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，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(shù)，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(dǎo)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(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(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個關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）實現(xiàn)的，這些指標(biāo)是：靜態(tài)精度、動態(tài)精度、方位穩(wěn)定時間和校準(zhǔn)時間。

　　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）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(yīng)用程序?qū)@些矢量進行同時記錄，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(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、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(guān)鍵器件的優(yōu)缺點，以及它們是如何補償彼此缺點的（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，方位是相對于一個坐標(biāo)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(zhuǎn)過程中都會改變它們的位置，位于旋轉(zhuǎn)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(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)提供比磁力計數(shù)據(jù)更多的權(quán)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(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，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(zhuǎn)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(shè)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(dāng)設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)時，重力傳感器的輸出應(yīng)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(shè)備軸向加速度的三維矢量，并且在手機應(yīng)用中被認為與重力分量無關(guān)。

　　此時就用得到陀螺儀了。陀螺儀可以用來檢測設(shè)備何時處于靜止?fàn)顟B(tài)，并觸發(fā)重力矢量偏移校準(zhǔn)的計算。結(jié)果可再轉(zhuǎn)而用于計算設(shè)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(zhuǎn)速度，因此可以用來跟蹤設(shè)備在運動中的方位。陀螺儀可以跟蹤的旋轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)。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?fàn)顟B(tài)，然后經(jīng)計算進行適當(dāng)?shù)难a償。

　　現(xiàn)實世界設(shè)計

　　傳感器融合是一個高度專業(yè)化的設(shè)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(jié)以及它們的缺點和交互情況。多年來，人們的關(guān)注點已經(jīng)被帶進導(dǎo)航、智能手機應(yīng)用和游戲等領(lǐng)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(jié)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?，F(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(fù)雜的反復(fù)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（圖2）。

　　圖2：典型的傳感器融合軟件架構(gòu)。

　　預(yù)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(wù)，它就給開發(fā)人員提供了一個有價值的機會。通過適當(dāng)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(quán)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(quán)衡，以便適應(yīng)最終目標(biāo)市場。

　　關(guān)鍵性能指標(biāo)測量設(shè)置

　　所有傳感器融合技術(shù)并不等同。在現(xiàn)有的實現(xiàn)技術(shù)和測試方面，不同供應(yīng)商之間有很大差異。為了得到正確結(jié)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(biāo)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(yīng)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(shè)備進行直接比較。

　　靜態(tài)精度

　　靜態(tài)精度被定義為設(shè)備置于穩(wěn)定位置時，測量到的設(shè)備方位與實際設(shè)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(zhuǎn)方面的成套數(shù)據(jù)。一個設(shè)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(quán)重影響。在具有低靜態(tài)精度值的設(shè)備中，最終用戶可以在羅盤或地圖應(yīng)用的絕對航向中看到很大偏差，當(dāng)設(shè)備處于靜態(tài)狀態(tài)，他們還能在交互式應(yīng)用中見到抖動（很小的旋轉(zhuǎn)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(shè)備在運動時，測量到的設(shè)備方位與實際設(shè)備方位之間的偏差。由于在運動期間涉及到旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)以及游戲動作）運動時，通過采集航向、俯仰和滾轉(zhuǎn)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(shè)備中，最終用戶可以看到屏幕上的移動與設(shè)備實際運動之間有很大偏差。這在增強現(xiàn)實應(yīng)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(guān)系不是很明顯，但大誤差的動態(tài)精度也是室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用性能差的主要原因。由于用戶在已知固定點之間導(dǎo)航（比如從Wi-Fi或藍牙信標(biāo)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(shè)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（圖3）。

　　圖3：方位隨時間發(fā)生偏離。

　　校準(zhǔn)時間

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

　　一些設(shè)備采用8字舞校準(zhǔn)方法，即提示最終用戶將設(shè)備在空氣中做8字運動完成設(shè)備的校準(zhǔn)。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(shè)備校準(zhǔn)。

　　具有較短校準(zhǔn)時間的設(shè)備使用陀螺儀校準(zhǔn)磁力傳感器，這意味著校準(zhǔn)可以在背景中運行，所要求的設(shè)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(zhǔn)傳感器。博世傳感器技術(shù)公司的快速磁力校準(zhǔn)（FMC）算法就是使用后一種方法來確保較短的校準(zhǔn)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(yīng)盡可能短，以便用戶看不到他們停止移動設(shè)備與設(shè)備停止移動并穩(wěn)定到正確位置之間的延遲。當(dāng)設(shè)備的靜態(tài)和動態(tài)精度都很差時，設(shè)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(yīng)在需要實時響應(yīng)的游戲和虛擬/增強現(xiàn)實應(yīng)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(yīng)用于專業(yè)級和消費級市場?，F(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(shù)比較復(fù)雜，但對開發(fā)人員來說，從當(dāng)前傳感器融合過渡到這種先進解決方案的任務(wù)卻相對簡單。

　　傳感器融合技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段。通過將傳感器和傳感器融合構(gòu)建模塊設(shè)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(shè)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(shè)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(shù)和設(shè)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(shè)備還將具有顯著改進的性能和功效。