隨sui著zhe智zhi能neng手shou機ji等deng功gong能neng強qiang大da的de智zhi能neng設she備bei不bu斷duan進jin步bu，新xin的de應ying用yong層ceng出chu不bu窮qiong
，係xi統tong開kai發fa經jing常chang跟gen不bu上shang不bu斷duan變bian化hua的de新xin要yao求qiu。如ru今jin，諸zhu如ru室shi內nei導dao航hang和he增zeng強qiang現xian實shi等deng使shi用yong運yun動dong或huo位wei置zhi數shu據ju的de新xin應ying用yong
，都dou要yao求qiu用yong戶hu接jie受shou原yuan本ben是shi為wei簡jian單dan遊you戲xi應ying用yong開kai發fa的de、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
、wanzhenghekekaodechuanganqixinhaohuoganzhixinxi。yaoxiangshixianshizhongjingquedechuanganqironghe，gongchengshizaijuedingruheyouhuazhenghelaizizhexiechuanganqideshujuzhiqian，shenrulijiechuanganqideyouquedianhenzhongyao。yizhongkechenggongshixiandefangfashishiyongjiyujiasuduji
、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)係(xi)統(tong)中(zhong)，用(yong)戶(hu)仍(reng)能(neng)與(yu)現(xian)實(shi)世(shi)界(jie)相(xiang)接(jie)觸(chu)，同(tong)時(shi)又(you)能(neng)與(yu)他(ta)們(men)周(zhou)圍(wei)的(de)虛(xu)擬(ni)物(wu)體(ti)進(jin)行(xing)互(hu)動(dong)。利(li)用(yong)現(xian)有(you)的(de)技(ji)術(shu)，信(xin)息(xi)傳(chuan)送(song)的(de)延(yan)遲(chi)對(dui)用(yong)戶(hu)來(lai)說(shuo)是(shi)不(bu)能(neng)忍(ren)受(shou)的(de)—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)來lai說shuo，最zui大da的de挑tiao戰zhan是shi需xu要yao確que保bao所suo有you器qi件jian都dou能neng提ti供gong滿man足zu這zhe些xie應ying用yong穩wen定ding工gong作zuo要yao求qiu的de性xing能neng。舉ju例li來lai說shuo
，安an卓zhuo設she備bei中zhong有you許xu多duo不bu同tong的de軟ruan硬ying件jian組zu合he
，每mei種zhong組zu合he都dou會hui產chan生sheng不bu同tong的de輸shu出chu質zhi量liang。目mu前qian沒mei有you標biao準zhun的de測ce試shi程cheng序xu
，這zhe意yi味wei著zhe應ying用yong開kai發fa人ren員yuan不bu能neng依yi靠kao安an卓zhuo傳chuan感gan器qi數shu據ju在zai許xu多duo不bu同tong平ping台tai上shang實shi現xian相xiang同tong的de性xing能neng。以yi下xia是shi用yong運yun動dong跟gen蹤zong攝she像xiang頭tou係xi統tong分fen析xi和he比bi較jiao不bu同tong軟ruan硬ying件jian組zu合he性xing能neng從cong而er設she定ding最zui小xiao性xing能neng標biao準zhun的de建jian議yi。性xing能neng分fen析xi是shi通tong過guo測ce量liang係xi統tong的de4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)的(de)運(yun)動(dong)產(chan)生(sheng)方(fang)位(wei)矢(shi)量(liang)
，這(zhe)些(xie)矢(shi)量(liang)再(zai)與(yu)手(shou)機(ji)中(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)創(chuang)建(jian)的(de)矢(shi)量(liang)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)。數(shu)據(ju)記(ji)錄(lu)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)對(dui)這(zhe)些(xie)矢(shi)量(liang)進(jin)行(xing)同(tong)時(shi)記(ji)錄(lu)，該(gai)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)支(zhi)持(chi)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)設(she)備(bei)的(de)直(zhi)接(jie)比(bi)較(jiao)。

 

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。

 

 

磁ci力li計ji對dui幹gan擾rao性xing的de本ben地di磁ci場chang和he畸ji變bian高gao度du敏min感gan，它ta們men容rong易yi造zao成cheng計ji算suan得de到dao的de磁ci航hang向xiang出chu現xian錯cuo誤wu。陀tuo螺luo儀yi可ke以yi用yong來lai在zai沒mei有you旋xuan轉zhuan記ji錄lu的de情qing況kuang下xia檢jian測ce這zhe種zhong幹gan擾rao和he航hang向xiang變bian化hua。傳chuan感gan器qi融rong合he隨sui後hou通tong過guo給gei陀tuo螺luo儀yi數shu據ju提ti供gong比bi磁ci力li計ji數shu據ju更geng多duo的de權quan重zhong
，就jiu可ke以yi精jing確que地di進jin行xing補bu償chang。

 

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。

 

加(jia)速(su)度(du)計(ji)隻(zhi)能(neng)測(ce)量(liang)因(yin)設(she)備(bei)運(yun)動(dong)引(yin)起(qi)的(de)加(jia)速(su)度(du)和(he)因(yin)重(zhong)力(li)引(yin)起(qi)的(de)加(jia)速(su)度(du)在(zai)內(nei)的(de)總(zong)加(jia)速(su)度(du)值(zhi)

，而(er)不(bu)能(neng)檢(jian)測(ce)二(er)者(zhe)之(zhi)間(jian)的(de)區(qu)別(bie)
，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)將(jiang)重(zhong)力(li)和(he)運(yun)動(dong)分(fen)開(kai)來(lai)：

 

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。

 

suoyouxiaofeijituoluoyidoucunzaiguyoudepiaoyiwucha
，yincijishishebeichuyuwendingzhuangtai
，tuoluoyiyehuisuizheshijianhewendudebianhuafashengyidingchengdudexuanzhuan。weilejiuzhengzhexiewucha，keyiyonggaowendingxingdejiasudujijiancejingzhizhuangtai，ranhoujingjisuanjinxingshidangdebuchang。

 

 

傳(chuan)感(gan)器(qi)融(rong)合(he)是(shi)一(yi)個(ge)高(gao)度(du)專(zhuan)業(ye)化(hua)的(de)設(she)計(ji)領(ling)域(yu)，需(xu)要(yao)熟(shu)練(lian)掌(zhang)握(wo)建(jian)模(mo)和(he)仿(fang)真(zhen)技(ji)術(shu)。它(ta)要(yao)求(qiu)盡(jin)最(zui)大(da)可(ke)能(neng)地(di)理(li)解(jie)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)細(xi)節(jie)以(yi)及(ji)它(ta)們(men)的(de)缺(que)點(dian)和(he)交(jiao)互(hu)情(qing)況(kuang)。多(duo)年(nian)來(lai)

，人(ren)們(men)的(de)關(guan)注(zhu)點(dian)已(yi)經(jing)被(bei)帶(dai)進(jin)導(dao)航(hang)、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

 

既(ji)然(ran)傳(chuan)感(gan)器(qi)融(rong)合(he)操(cao)作(zuo)的(de)精(jing)細(xi)調(tiao)整(zheng)已(yi)發(fa)展(zhan)並(bing)簡(jian)化(hua)成(cheng)了(le)濾(lv)波(bo)器(qi)調(tiao)整(zheng)任(ren)務(wu)
，它(ta)就(jiu)給(gei)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)個(ge)有(you)價(jia)值(zhi)的(de)機(ji)會(hui)。通(tong)過(guo)適(shi)當(dang)調(tiao)整(zheng)濾(lv)波(bo)器(qi)，開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)或(huo)OEM廠(chang)商(shang)可(ke)以(yi)讓(rang)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)以(yi)市(shi)場(chang)差(cha)異(yi)化(hua)的(de)方(fang)式(shi)運(yun)行(xing)。由(you)於(yu)所(suo)有(you)權(quan)衡(heng)管(guan)理(li)都(dou)是(shi)自(zi)動(dong)完(wan)成(cheng)的(de)，開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)做(zuo)出(chu)有(you)效(xiao)的(de)決(jue)策(ce)，例(li)如(ru)在(zai)最(zui)高(gao)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)最(zui)高(gao)性(xing)能(neng)之(zhi)間(jian)做(zuo)出(chu)權(quan)衡(heng)

，以(yi)便(bian)適(shi)應(ying)最(zui)終(zhong)目(mu)標(biao)市(shi)場(chang)。

 

 

suoyouchuanganqironghejishubingbudengtong。zaixianyoudeshixianjishuheceshifangmian，butonggongyingshangzhijianyouhendachayi。weilededaozhengquejieguo
，bixucaiyonghanyoujingguoyanzhengdejingquekudezhengqueruanjianfangfa。

 

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)、fuyanghegunzhuanfangmiandechengtaoshuju。yigeshebeidejingtaijingduzhuyaoshoucilijihetuoluoyideyingjiancanshuyijiruanjianzhonggeitamenfenbiefenpeidequanzhongyingxiang。zaijuyoudijingtaijingduzhideshebeizhong，zuizhongyonghukeyizailuopanhuodituyingyongdejueduihangxiangzhongkandaohendapiancha，dangshebeichuyujingtaizhuangtai
，tamenhainengzaijiaohushiyingyongzhongjiandaodoudong(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。

 

juyoujiaoduanxiaozhunshijiandeshebeishiyongtuoluoyixiaozhuncilichuanganqi，zheyiweizhexiaozhunkeyizaibeijingzhongyunxing，suoyaoqiudeshebeiyidongfuduyaoxiaodeduo。zhexieyidongtongchangzaizhengchangcaozuozhongjinxing，zuizhongyonghuyongyuanbubizhudongquxiaozhunchuanganqi。boshichuanganqijishugongsidekuaisucilixiaozhun(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。

 

chuanganqironghejishuxianzaiyijingfazhandaoxiangdangchengshudejieduan。tongguojiangchuanganqihechuanganqironghegoujianmokuaishejidaoxiangtongfengzhuangzhong
，keyiquebaozhexiedanyuandedaozuiyouhua
，bingnenggouhenhaodixietonggongzuo。xitongshejishibuzaixuyaozaizuzhuang、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OEM廠chang商shang提ti供gong巨ju大da好hao處chu
，他ta們men不bu僅jin能neng夠gou向xiang市shi場chang推tui出chu高gao度du差cha異yi化hua的de產chan品pin
，而er且qie其qi向xiang用yong戶hu提ti供gong的de整zheng個ge新xin一yi代dai電dian子zi設she備bei還hai將jiang具ju有you顯xian著zhu改gai進jin的de性xing能neng和he功gong效xiao。