suizhezhinengshoujidenggongnengqiangdadezhinengshebeibuduanjinbu，xindeyingyongcengchubuqiong


，xitongkaifajingchanggenbushangbuduanbianhuadexinyaoqiu。rujin，zhurushineidaohanghezengqiangxianshidengshiyongyundonghuoweizhishujudexinyingyong，douyaoqiuyonghujieshouyuanbenshiweijiandanyouxiyingyongkaifade

、不太完美的傳感器融合。但是，最終用戶很容易發現這些實現具有相當多的缺點，並且精度很低。

 

傳感器融合是一種創新的工程技術
，通過整合來自各種係統傳感器的數據，來保證更加精確、完(wan)整(zheng)和(he)可(ke)靠(kao)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)或(huo)感(gan)知(zhi)信(xin)息(xi)。要(yao)想(xiang)實(shi)現(xian)始(shi)終(zhong)精(jing)確(que)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)融(rong)合(he)
，工(gong)程(cheng)師(shi)在(zai)決(jue)定(ding)如(ru)何(he)優(you)化(hua)整(zheng)合(he)來(lai)自(zi)這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)數(shu)據(ju)之(zhi)前(qian)，深(shen)入(ru)理(li)解(jie)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)優(you)缺(que)點(dian)很(hen)重(zhong)要(yao)。一(yi)種(zhong)可(ke)成(cheng)功(gong)實(shi)現(xian)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)使(shi)用(yong)基(ji)於(yu)加(jia)速(su)度(du)計(ji)、磁力計和陀螺儀等傳感器信號的融合數據庫，並通過補償每種傳感器的缺點，來提供高精度、可靠和穩定的方位數據。

 

suizhezuizhongyonghubuduanjiechudaozhexiexindeyingyong
，tamenxiwangnengyougengjiajingquehekekaodejiejuefangan。jiangchuanganqiyongyuzaiyizhigudingweizhizhijiangenzongyonghudeshineidaohangyuzaoqideGPS設備非常類似
，隻有質量優異的傳感器融合，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
，因此大多數廠商都認為這是實現產品差異化的良好契機。

 

另外一個例子是從虛擬現實到增強現實的進步。在虛擬現實(VR)係統中，用戶與現實世界相隔離，沉浸於一個人造世界中。而在增強現實(AR)xitongzhong
，yonghurengnengyuxianshishijiexiangjiechu，tongshiyounengyutamenzhouweidexuniwutijinxinghudong。liyongxianyoudejishu，xinxichuansongdeyanchiduiyonghulaishuoshibunengrenshoude—增強現實中的這種錯位可能導致非常糟糕的用戶體驗。

 

對OEM廠商和平台開發人員(即操作係統開發人員)laishuo，zuidadetiaozhanshixuyaoquebaosuoyouqijiandounengtigongmanzuzhexieyingyongwendinggongzuoyaoqiudexingneng。julilaishuo，anzhuoshebeizhongyouxuduobutongderuanyingjianzuhe，meizhongzuhedouhuichanshengbutongdeshuchuzhiliang。muqianmeiyoubiaozhundeceshichengxu，zheyiweizheyingyongkaifarenyuanbunengyikaoanzhuochuanganqishujuzaixuduobutongpingtaishangshixianxiangtongdexingneng。yixiashiyongyundonggenzongshexiangtouxitongfenxihebijiaobutongruanyingjianzuhexingnengcongershedingzuixiaoxingnengbiaozhundejianyi。xingnengfenxishitongguoceliangxitongde4個關鍵性能指標(KPI)實現的，這些指標是：靜態精度
、動態精度
、方位穩定時間和校準時間。

 

攝像頭係統通過跟蹤物體上的標記根據物體(智能手機)deyundongchanshengfangweishiliang，zhexieshiliangzaiyushoujizhongchuanganqichuangjiandeshiliangjinxingbijiao。shujujiluyingyongchengxuduizhexieshiliangjinxingtongshijilu
，gaiyingyongchengxuzhichizuizhongyonghushebeidezhijiebijiao。

 

本文將介紹智能手機環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，並介紹在許多旗艦智能手機上執行的、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，並提供高精度
、可靠和穩定的方位數據。下麵著重分析這些關鍵器件的優缺點
，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
，方位是相對於一個坐標係中規定的參考係進行定義的。至少需要3個獨立的值作為三維矢量的一部分，用於描述真正的方位。物體的所有點在旋轉過程中都會改變它們的位置，位於旋轉軸上的點除外。

 

 

cilijiduiganraoxingdebendicichanghejibiangaodumingan
，tamenrongyizaochengjisuandedaodecihangxiangchuxiancuowu。tuoluoyikeyiyonglaizaimeiyouxuanzhuanjiludeqingkuangxiajiancezhezhongganraohehangxiangbianhua。chuanganqironghesuihoutongguogeituoluoyishujutigongbicilijishujugengduodequanzhong，jiukeyijingquedijinxingbuchang。

 

地球磁場的水平分量用於計算磁航向
，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。當設備不處於水平位置時，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平麵對方位進行計算之前
，確保這些傾斜角得到補償很重要。

 

jiasudujizhinengceliangyinshebeiyundongyinqidejiasuduheyinzhongliyinqidejiasuduzaineidezongjiasuduzhi，erbunengjianceerzhezhijiandequbie，yincixuyaojiangzhongliheyundongfenkailai：

 

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。當設備處於靜止狀態時，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，並且在手機應用中被認為與重力分量無關。

 

此ci時shi就jiu用yong得de到dao陀tuo螺luo儀yi了le。陀tuo螺luo儀yi可ke以yi用yong來lai檢jian測ce設she備bei何he時shi處chu於yu靜jing止zhi狀zhuang態tai
，並bing觸chu發fa重zhong力li矢shi量liang偏pian移yi校xiao準zhun的de計ji算suan。結jie果guo可ke再zai轉zhuan而er用yong於yu計ji算suan設she備bei運yun動dong過guo程cheng中zhong的de動dong態tai分fen量liang(線性加速度)。

 

 

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製在約400dps以下。但是，陀螺儀隻能輸出相對位置
，因此需要有一個不失真的磁力傳感器作為參考。

 

所(suo)有(you)消(xiao)費(fei)級(ji)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)都(dou)存(cun)在(zai)固(gu)有(you)的(de)漂(piao)移(yi)誤(wu)差(cha)

，因(yin)此(ci)即(ji)使(shi)設(she)備(bei)處(chu)於(yu)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態(tai)，陀(tuo)螺(luo)儀(yi)也(ye)會(hui)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)和(he)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)發(fa)生(sheng)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)。為(wei)了(le)糾(jiu)正(zheng)這(zhe)些(xie)誤(wu)差(cha)，可(ke)以(yi)用(yong)高(gao)穩(wen)定(ding)性(xing)的(de)加(jia)速(su)度(du)計(ji)檢(jian)測(ce)靜(jing)止(zhi)狀(zhuang)態(tai)
，然(ran)後(hou)經(jing)計(ji)算(suan)進(jin)行(xing)適(shi)當(dang)的(de)補(bu)償(chang)。

 

 

chuanganqirongheshiyigegaoduzhuanyehuadeshejilingyu，xuyaoshulianzhangwojianmohefangzhenjishu。tayaoqiujinzuidakenengdilijiechuanganqidegongzuoxijieyijitamendequedianhejiaohuqingkuang。duonianlai，renmendeguanzhudianyijingbeidaijindaohang、智能手機應用和遊戲等領域。但直到現在，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。

 

在基於傳感器融合的係統中，操作需要進行精細調整。現實世界中沒有什麼事像“即插即用”這(zhe)麼(me)簡(jian)單(dan)。一(yi)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)試(shi)運(yun)行(xing)要(yao)求(qiu)必(bi)須(xu)調(tiao)整(zheng)參(can)數(shu)，而(er)且(qie)每(mei)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)操(cao)作(zuo)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)交(jiao)互(hu)，因(yin)此(ci)很(hen)容(rong)易(yi)變(bian)成(cheng)高(gao)度(du)複(fu)雜(za)的(de)反(fan)複(fu)過(guo)程(cheng)。如(ru)今(jin)的(de)軟(ruan)件(jian)具(ju)有(you)以(yi)很(hen)高(gao)層(ceng)次(ci)執(zhi)行(xing)這(zhe)種(zhong)“精細調整”的能力，並且可以向OEM廠商提供簡單直觀的濾波器調整程序(圖2)。

圖2：典型的傳感器融合軟件架構。

 

預定義濾波器使得精細調整速度更快

 

jiranchuanganqironghecaozuodejingxitiaozhengyifazhanbingjianhuachenglelvboqitiaozhengrenwu，tajiugeikaifarenyuantigongleyigeyoujiazhidejihui。tongguoshidangtiaozhenglvboqi，kaifarenyuanhuoOEMchangshangkeyirangzuizhongchanpinyishichangchayihuadefangshiyunxing。youyusuoyouquanhengguanlidoushizidongwanchengde，kaifarenyuankeyizuochuyouxiaodejuece，liruzaizuigaowendingxinghezuigaoxingnengzhijianzuochuquanheng，yibianshiyingzuizhongmubiaoshichang。

 

 

所(suo)有(you)傳(chuan)感(gan)器(qi)融(rong)合(he)技(ji)術(shu)並(bing)不(bu)等(deng)同(tong)。在(zai)現(xian)有(you)的(de)實(shi)現(xian)技(ji)術(shu)和(he)測(ce)試(shi)方(fang)麵(mian)，不(bu)同(tong)供(gong)應(ying)商(shang)之(zhi)間(jian)有(you)很(hen)大(da)差(cha)異(yi)。為(wei)了(le)得(de)到(dao)正(zheng)確(que)結(jie)果(guo)
，必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)含(han)有(you)經(jing)過(guo)驗(yan)證(zheng)的(de)精(jing)確(que)庫(ku)的(de)正(zheng)確(que)軟(ruan)件(jian)方(fang)法(fa)。

 

所有硬件在接口和時序參數方麵必須兼容和匹配。合理的方法是確保攝像頭係統的性能，這些係統將通過跟蹤物體上的標記根據物體(本例中是智能手機)移動產生方位矢量。方位矢量再與傳感器創建的、用數據記錄應用同時記錄的矢量進行比較。使用這種基於攝像機的係統允許對最終商用設備進行直接比較。

 

 

靜jing態tai精jing度du被bei定ding義yi為wei設she備bei置zhi於yu穩wen定ding位wei置zhi時shi，測ce量liang到dao的de設she備bei方fang位wei與yu實shi際ji設she備bei方fang位wei之zhi間jian的de偏pian差cha。為wei了le計ji算suan靜jing態tai精jing度du
，需xu要yao手shou機ji在zai多duo個ge位wei置zhi靜jing止zhi放fang置zhi時shi收shou集ji航hang向xiang、俯(fu)仰(yang)和(he)滾(gun)轉(zhuan)方(fang)麵(mian)的(de)成(cheng)套(tao)數(shu)據(ju)。一(yi)個(ge)設(she)備(bei)的(de)靜(jing)態(tai)精(jing)度(du)主(zhu)要(yao)受(shou)磁(ci)力(li)計(ji)和(he)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)的(de)硬(ying)件(jian)參(can)數(shu)以(yi)及(ji)軟(ruan)件(jian)中(zhong)給(gei)它(ta)們(men)分(fen)別(bie)分(fen)配(pei)的(de)權(quan)重(zhong)影(ying)響(xiang)。在(zai)具(ju)有(you)低(di)靜(jing)態(tai)精(jing)度(du)值(zhi)的(de)設(she)備(bei)中(zhong)
，最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)在(zai)羅(luo)盤(pan)或(huo)地(di)圖(tu)應(ying)用(yong)的(de)絕(jue)對(dui)航(hang)向(xiang)中(zhong)看(kan)到(dao)很(hen)大(da)偏(pian)差(cha)
，當(dang)設(she)備(bei)處(chu)於(yu)靜(jing)態(tai)狀(zhuang)態(tai)
，他(ta)們(men)還(hai)能(neng)在(zai)交(jiao)互(hu)式(shi)應(ying)用(yong)中(zhong)見(jian)到(dao)抖(dou)動(dong)(很小的旋轉移動)。這是由於軟件校正陀螺儀漂移引起的。

 

dongtaijingdubeidingyiweishebeizaiyundongshi，celiangdaodeshebeifangweiyushijishebeifangweizhijiandepiancha。youyuzaiyundongqijianshejidaoxuanzhuanjiasudu，celiangqilaigengjiakunnan。dongtaijingdushizaishoujiyibutongyundongmoshi(8字舞
、慢速線性、快速和慢速旋轉以及遊戲動作)運動時

，通過采集航向
、俯仰和滾轉等成套數據進行計算的。所有數據都以最快可能的數據速率進行采集。

 

在(zai)具(ju)有(you)低(di)動(dong)態(tai)精(jing)度(du)的(de)設(she)備(bei)中(zhong)

，最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)屏(ping)幕(mu)上(shang)的(de)移(yi)動(dong)與(yu)設(she)備(bei)實(shi)際(ji)運(yun)動(dong)之(zhi)間(jian)有(you)很(hen)大(da)偏(pian)差(cha)。這(zhe)在(zai)增(zeng)強(qiang)現(xian)實(shi)應(ying)用(yong)中(zhong)特(te)別(bie)引(yin)人(ren)注(zhu)意(yi)，因(yin)為(wei)增(zeng)強(qiang)單(dan)元(yuan)的(de)移(yi)動(dong)與(yu)現(xian)實(shi)世(shi)界(jie)不(bu)是(shi)同(tong)步(bu)的(de)。這(zhe)也(ye)是(shi)用(yong)戶(hu)在(zai)使(shi)用(yong)虛(xu)擬(ni)現(xian)實(shi)幾(ji)分(fen)鍾(zhong)後(hou)就(jiu)感(gan)到(dao)不(bu)滿(man)意(yi)的(de)原(yuan)因(yin)之(zhi)一(yi)。

 

雖然直接關係不是很明顯，但大誤差的動態精度也是室內導航應用性能差的主要原因。由於用戶在已知固定點之間導航(比如從Wi-Fi或藍牙信標開始)，傳感器數據可用於計算軌跡。然而
，航向誤差將隨著時間的推移而累積，因此具有15°較差動態精度的設備很容易在20s～30s時間內產生超過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：方位隨時間發生偏離。

 

 

校xiao準zhun時shi間jian被bei定ding義yi為wei在zai純chun淨jing的de磁ci場chang環huan境jing中zhong校xiao準zhun設she備bei中zhong的de磁ci力li傳chuan感gan器qi，使shi之zhi從cong未wei校xiao準zhun狀zhuang態tai到dao完wan全quan校xiao準zhun狀zhuang態tai所suo需xu的de時shi間jian。所suo有you磁ci性xing傳chuan感gan器qi都dou需xu要yao進jin行xing校xiao準zhun，但dan用yong於yu校xiao準zhun的de方fang法fa定ding義yi了le最zui終zhong用yong戶hu是shi否fou需xu要yao校xiao準zhun以yi及ji如ru何he去qu校xiao準zhun。

 

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(ju)有(you)較(jiao)短(duan)校(xiao)準(zhun)時(shi)間(jian)的(de)設(she)備(bei)使(shi)用(yong)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)校(xiao)準(zhun)磁(ci)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)校(xiao)準(zhun)可(ke)以(yi)在(zai)背(bei)景(jing)中(zhong)運(yun)行(xing)，所(suo)要(yao)求(qiu)的(de)設(she)備(bei)移(yi)動(dong)幅(fu)度(du)要(yao)小(xiao)得(de)多(duo)。這(zhe)些(xie)移(yi)動(dong)通(tong)常(chang)在(zai)正(zheng)常(chang)操(cao)作(zuo)中(zhong)進(jin)行(xing)，最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)永(yong)遠(yuan)不(bu)必(bi)主(zhu)動(dong)去(qu)校(xiao)準(zhun)傳(chuan)感(gan)器(qi)。博(bo)世(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)公(gong)司(si)的(de)快(kuai)速(su)磁(ci)力(li)校(xiao)準(zhun)(FMC)算法就是使用後一種方法來確保較短的校準時間。

 

 

方位穩定時間被定義為“運動之後”到達精確
、穩(wen)定(ding)方(fang)位(wei)狀(zhuang)態(tai)所(suo)需(xu)的(de)時(shi)間(jian)。方(fang)位(wei)穩(wen)定(ding)時(shi)間(jian)應(ying)盡(jin)可(ke)能(neng)短(duan)
，以(yi)便(bian)用(yong)戶(hu)看(kan)不(bu)到(dao)他(ta)們(men)停(ting)止(zhi)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)與(yu)設(she)備(bei)停(ting)止(zhi)移(yi)動(dong)並(bing)穩(wen)定(ding)到(dao)正(zheng)確(que)位(wei)置(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)延(yan)遲(chi)。當(dang)設(she)備(bei)的(de)靜(jing)態(tai)和(he)動(dong)態(tai)精(jing)度(du)都(dou)很(hen)差(cha)時(shi)，設(she)備(bei)上(shang)的(de)這(zhe)種(zhong)延(yan)遲(chi)就(jiu)很(hen)明(ming)顯(xian)
，因(yin)為(wei)需(xu)要(yao)更(geng)多(duo)時(shi)間(jian)校(xiao)正(zheng)移(yi)動(dong)中(zhong)累(lei)積(ji)的(de)誤(wu)差(cha)。這(zhe)種(zhong)效(xiao)應(ying)在(zai)需(xu)要(yao)實(shi)時(shi)響(xiang)應(ying)的(de)遊(you)戲(xi)和(he)虛(xu)擬(ni)/增強現實應用中尤其令人討厭。

 

從詳細的評估和分析來看， 顯xian然ran本ben文wen所suo述shu的de傳chuan感gan器qi融rong合he現xian在zai可ke以yi廣guang泛fan應ying用yong於yu專zhuan業ye級ji和he消xiao費fei級ji市shi場chang。現xian場chang試shi驗yan表biao明ming
，用yong戶hu可ke以yi在zai性xing能neng和he精jing度du方fang麵mian獲huo得de有you價jia值zhi的de升sheng級ji。雖sui然ran硬ying件jian和he軟ruan件jian方fang麵mian的de概gai念nian和he工gong程cheng技ji術shu比bi較jiao複fu雜za，但dan對dui開kai發fa人ren員yuan來lai說shuo
，從cong當dang前qian傳chuan感gan器qi融rong合he過guo渡du到dao這zhe種zhong先xian進jin解jie決jue方fang案an的de任ren務wu卻que相xiang對dui簡jian單dan。

 

傳chuan感gan器qi融rong合he技ji術shu現xian在zai已yi經jing發fa展zhan到dao相xiang當dang成cheng熟shu的de階jie段duan。通tong過guo將jiang傳chuan感gan器qi和he傳chuan感gan器qi融rong合he構gou建jian模mo塊kuai設she計ji到dao相xiang同tong封feng裝zhuang中zhong，可ke以yi確que保bao這zhe些xie單dan元yuan得de到dao最zui優you化hua
，並bing能neng夠gou很hen好hao地di協xie同tong工gong作zuo。係xi統tong設she計ji師shi不bu再zai需xu要yao在zai組zu裝zhuang、優化和調試傳統“永遠在線”子係統方麵花費時間，因為通過設計，每個器件都對最高精度和最低功耗做了優化。

 

這種高度的技術和設計創造性帶給開發人員的優勢
，可以給OEMchangshangtigongjudahaochu，tamenbujinnenggouxiangshichangtuichugaoduchayihuadechanpin，erqieqixiangyonghutigongdezhenggexinyidaidianzishebeihaijiangjuyouxianzhugaijindexingnenghegongxiao。