如何利用傳感器融合增強設備性能

　　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)經常跟不上不斷變化的新要求。如今，諸如室內導航和增強現(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導航與早期的GPS設備非常類似，只有質量優(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，每種組合都會產生不同的輸出質量。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)記錄應用程序對這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(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，它們容易造成計算得到的磁航向出現(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。