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(kāi)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(jiǎn)單游戲應(yīng)用開(kāi)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(guò)整合來(lái)自各種系統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù)，來(lái)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(lái)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(kù)，并通過(guò)補(bǔ)償每種傳感器的缺點(diǎn)，來(lái)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?jī)?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(duì)用戶來(lái)說(shuō)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(duì)OEM廠商和平臺(tái)開(kāi)發(fā)人員(即操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員)來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試程序，這意味著應(yīng)用開(kāi)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(guò)測(cè)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(guò)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(cè)量在內(nèi)的一種測(cè)試方法。
文章所描述的融合庫(kù)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(lái)說(shuō)，方位是相對(duì)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(guò)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(duì)干擾性的本地磁場(chǎng)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(lái)在沒(méi)有旋轉(zhuǎn)記錄的情況下檢測(cè)這種干擾和航向變化。傳感器融合隨后通過(guò)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(chǎng)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(chǎng)。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(guò)旋轉(zhuǎn)XY平面對(duì)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。
加速度計(jì)
加速度計(jì)只能測(cè)量因設(shè)備運(yùn)動(dòng)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(cè)二者之間的區(qū)別，因此需要將重力和運(yùn)動(dòng)分開(kāi)來(lái)：
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(shí)，重力傳感器的輸出應(yīng)該與加速度計(jì)的輸出相同。
線性加速度可以被看作是一個(gè)指示每個(gè)設(shè)備軸向加速度的三維矢量，并且在手機(jī)應(yīng)用中被認(rèn)為與重力分量無(wú)關(guān)。
此時(shí)就用得到陀螺儀了。陀螺儀可以用來(lái)檢測(cè)設(shè)備何時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，并觸發(fā)重力矢量偏移校準(zhǔn)的計(jì)算。結(jié)果可再轉(zhuǎn)而用于計(jì)算設(shè)備運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)分量(線性加速度)。
陀螺儀
陀螺儀可以提供圍繞著三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)速度，因此可以用來(lái)跟蹤設(shè)備在運(yùn)動(dòng)中的方位。陀螺儀可以跟蹤的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)2000度每秒(dps)，而磁力計(jì)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(duì)位置，因此需要有一個(gè)不失真的磁力傳感器作為參考。
所有消費(fèi)級(jí)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(huì)隨著時(shí)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(jì)檢測(cè)靜止?fàn)顟B(tài)，然后經(jīng)計(jì)算進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。
