傳感器數(shù)據(jù)融合：提升增強(qiáng)游戲、導(dǎo)航和虛擬現(xiàn)實(shí)用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵組件

作者：Kaustubh Gandhi，Bosch Sensortec軟件產(chǎn)品經(jīng)理，與Bosch Sensortec傳感器數(shù)據(jù)融合軟件系統(tǒng)工程師Amithash Kankanallu Jagadish合著

簡(jiǎn)介

無(wú)論是智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)，還是機(jī)器人吸塵器，當(dāng)今用戶都期望并要求這些設(shè)備始終按照指令運(yùn)行，并平穩(wěn)、準(zhǔn)確地適應(yīng)不斷變化的周圍環(huán)境。這需要精確的感測(cè)俯仰、滾轉(zhuǎn)和航向方向，而這些則是通過(guò)從設(shè)備內(nèi)置的加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)收集的數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)的。

通常在現(xiàn)實(shí)世界中，事物永遠(yuǎn)不會(huì)像其看起來(lái)那么簡(jiǎn)單，例如，準(zhǔn)確確定航向（觀測(cè)）方向便是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，因?yàn)榇帕τ?jì)測(cè)量受到附近多個(gè)物體的負(fù)面影響。這些干擾性磁場(chǎng)影響，通常稱為硬鐵和軟鐵扭曲，可能由位于設(shè)備本身內(nèi)的各種元件和用戶周圍環(huán)境中的外部磁性物體引起。

本文旨在深入洞察和理解在當(dāng)今電子消費(fèi)設(shè)備中獲得可靠傳感器數(shù)據(jù)所需的有效設(shè)計(jì)技術(shù)和軟件解決方案，并提高用戶對(duì)最終產(chǎn)品的滿意度。本文將提供強(qiáng)大傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的示例，例如基于在標(biāo)準(zhǔn)使用期間獲得的陀螺儀信號(hào)，對(duì)估算磁力計(jì)偏移加以利用，及其對(duì)用戶相關(guān)特征（例如行人和頭部跟蹤）的影響。

磁力挑戰(zhàn)

您是否曾由于智能手機(jī)導(dǎo)航應(yīng)用程序給出了錯(cuò)誤的指示，而找錯(cuò)了環(huán)島出口？使用虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)時(shí)，您是否經(jīng)歷過(guò)突然的眩暈？或者您的“智能”機(jī)器人吸塵器是否一再被卡在角落里？這些問(wèn)題中的大多數(shù)，至少部分，是由不精確的慣性傳感器數(shù)據(jù)融合導(dǎo)出的不正確航向信息所造成的。那么，為什么最先進(jìn)的高精度傳感器仍然會(huì)記錄不準(zhǔn)確的信息，并且產(chǎn)生如此大的偏差？

在實(shí)驗(yàn)室外，所謂的地球恒定磁場(chǎng)的剛性磁線不斷被各種物體修改，如門框、桌子、椅子和其他金屬物品。基于其特定磁特性，這些物體通過(guò)稱為硬鐵和軟鐵扭曲的現(xiàn)象改變其周圍的磁場(chǎng)。

圖1：羅盤誤差的來(lái)源：外部磁場(chǎng)

諸如NdFeB、AlNiCo等硬磁材料（“硬鐵”）引起高殘余B場(chǎng)或“磁記憶”，而軟磁材料（“軟鐵”）則通常是諸如鐵（Fe）、鎳（Ni）等材料及其合金。

當(dāng)磁力計(jì)用于設(shè)備中時(shí)，硬鐵扭曲由產(chǎn)生磁場(chǎng)的物體造成，例如揚(yáng)聲器內(nèi)的磁鐵，由此導(dǎo)致傳感器輸出中稱為“恒定偏移”的偏差，然后需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。另一方面，軟鐵扭曲則是由“被動(dòng)”影響或扭曲其周圍磁場(chǎng)但自身不一定產(chǎn)生磁場(chǎng)的物體造成的，例如存儲(chǔ)卡插槽、電池、無(wú)線天線、門窗框架和各種其他周圍環(huán)境中的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象。這種類型的扭曲改變了磁球的實(shí)際形狀，并且很大程度上取決于材料相對(duì)于傳感器和磁場(chǎng)的定位。

如圖2所示，在典型的室內(nèi)區(qū)域，由于一般物體引起的磁場(chǎng)扭曲，羅盤方向變化很大，即羅盤的紅色“北”針指向各個(gè)方向。

圖2：典型室內(nèi)區(qū)域傳感器讀數(shù)（磁力計(jì)）的變化

因此，補(bǔ)償硬鐵和軟鐵扭曲對(duì)于獲得有意義的磁力計(jì)讀數(shù)至關(guān)重要。這種補(bǔ)償需要在設(shè)備設(shè)計(jì)期間進(jìn)行復(fù)雜的程序，并且在實(shí)際使用期間將結(jié)果結(jié)合到傳感器的軟件中，如下文中的進(jìn)一步描述。

接受扭曲

以下系統(tǒng)方法可用于補(bǔ)償影響磁力計(jì)讀數(shù)的失真：

·使用軟鐵矩陣在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行補(bǔ)償

·通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)“八字形動(dòng)作”在使用中校準(zhǔn)軟件

·通過(guò)“自然使用動(dòng)作”智能校準(zhǔn)軟件

使用軟鐵矩陣在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行補(bǔ)償

來(lái)自位于終端設(shè)備（例如智能手機(jī)）內(nèi)部部件的軟鐵扭曲是恒定的，因此可以通過(guò)使用一次性解決方案來(lái)補(bǔ)償。這種補(bǔ)償需要所謂的“軟鐵補(bǔ)償矩陣”（SIC Matrix），對(duì)此，設(shè)計(jì)者在設(shè)備中具有更廣泛的布局選項(xiàng)。這些補(bǔ)償后傳感器的讀數(shù)具有明顯更高的精度，與未補(bǔ)償讀數(shù)相比達(dá)±2°，其中誤差范圍可以輕松達(dá)到±10°。校準(zhǔn)通過(guò)3D線圈系統(tǒng)（亥姆霍茲線圈）進(jìn)行，該線圈系統(tǒng)由在同一軸上對(duì)中的兩個(gè)螺線管電磁鐵組成，可抵消這些干擾性外部磁場(chǎng)，以提供“清潔”的磁環(huán)境。帶有慣性傳感器的設(shè)備被放置在此清潔環(huán)境中，并接受測(cè)量，以創(chuàng)建磁力計(jì)的原始數(shù)據(jù)記錄，然后將其輸入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)工具，生成SIC矩陣。之后，該SIC矩陣將合并至軟件驅(qū)動(dòng)器中，并永久補(bǔ)償影響磁力計(jì)數(shù)據(jù)的設(shè)備內(nèi)軟鐵扭曲。

這種方法可以在實(shí)驗(yàn)室條件下估算軟鐵效應(yīng)，當(dāng)然，使用過(guò)程中的變化和附加設(shè)備的影響無(wú)法得到補(bǔ)償。盡管如此，這依然是一種非常有效的設(shè)備內(nèi)部件校準(zhǔn)技術(shù)，強(qiáng)烈建議于設(shè)計(jì)階段在傳感器制造商專家的幫助下準(zhǔn)確生成SIC矩陣并加以應(yīng)用。

圖3：3D（亥姆霍茲）線圈，用于設(shè)備內(nèi)磁力計(jì)校準(zhǔn)

遺憾的是，在通常情況下，當(dāng)應(yīng)用于實(shí)際PCB時(shí)，實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確工作，因?yàn)槠渲袝?huì)生成被稱為“禁區(qū)”的區(qū)域，使這些裝置的準(zhǔn)確性極度降低，以致完全無(wú)法使用。

Bosch Sensortec的3D軟鐵補(bǔ)償技術(shù)大大減少了這一“禁區(qū)”現(xiàn)象。例如，如果在距離NFC天線僅9mm處測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)失真，在補(bǔ)償之前，最大航向誤差為8°，而在補(bǔ)償之后，所有海拔高度的最大誤差僅為1.5°。

通過(guò)“八字形動(dòng)作”在使用中進(jìn)行校準(zhǔn)

此方法并非實(shí)驗(yàn)室密集型，但只需通過(guò)在已知的磁性清潔環(huán)境中移動(dòng)設(shè)備（例如智能手機(jī)）便可收集大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)。理想的動(dòng)作是指沿最大定位范圍測(cè)量磁性的運(yùn)動(dòng)，由此幫助估算所有情況下的磁偏差。因此，該技術(shù)通常使用覆蓋所有三個(gè)軸向的八字形運(yùn)動(dòng)來(lái)執(zhí)行。

圖6：令智能手機(jī)在3D空間中以八字形圖案移動(dòng)

該圖案可描繪出由磁性扭曲而變形的磁球部分。從獲得的坐標(biāo)可以非常精確地估算磁球變形，以導(dǎo)出所需的校準(zhǔn)系數(shù)。使用該方法估算的偏移將用于補(bǔ)償來(lái)自外部環(huán)境的硬鐵扭曲。

圖7：沒(méi)有偏移補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)

圖8：有偏移補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)

相當(dāng)多的智能手機(jī)設(shè)備和操作系統(tǒng)制造商仍然依賴于這種八字形校準(zhǔn)技術(shù)。出于校準(zhǔn)目的，當(dāng)今的智能手機(jī)經(jīng)常提示最終用戶使用地圖應(yīng)用程序在空間中進(jìn)行八字形動(dòng)作。但是，通過(guò)在3D空間中移動(dòng)設(shè)備來(lái)創(chuàng)建此模式可能需要10秒以上，并且如果用戶將其手機(jī)用于較為緊急的目的（例如玩動(dòng)作游戲），或執(zhí)行對(duì)安全性要求較高的任務(wù)（例如在汽車內(nèi)使用智能手機(jī)導(dǎo)航），那么暫停游戲會(huì)讓玩家十分掃興，而將注意力從駕駛汽車轉(zhuǎn)至校準(zhǔn)設(shè)備則會(huì)造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

盡管如此，還是通常建議用戶使用這種方法，因?yàn)樗梢蕴峁┛煽康慕Y(jié)果。但是，只有當(dāng)用戶實(shí)際上能夠花時(shí)間重新校準(zhǔn)設(shè)備，并且物理上允許通過(guò)在3D空間中以八字形移動(dòng)設(shè)備時(shí)，此方法才適用。

通過(guò)“自然使用動(dòng)作”進(jìn)行智能校準(zhǔn)

盡管八字形動(dòng)作非常適合智能手機(jī)，但在物理上也許并不可行，并且可能對(duì)其他類型的設(shè)備來(lái)說(shuō)，執(zhí)行起來(lái)會(huì)比較困難或奇怪，例如腕部可穿戴設(shè)備、增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)、入耳式可穿戴設(shè)備和機(jī)器人吸塵機(jī)。

磁力計(jì)校準(zhǔn)背后的基本理念在于通過(guò)估算磁球與地球磁場(chǎng)矢量的偏差作為半徑來(lái)估算磁力計(jì)的偏移。為了降低校準(zhǔn)所需的時(shí)間并以更小、更自然的運(yùn)動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)備，可使用陀螺儀信號(hào)輔助磁場(chǎng)傳感器的校準(zhǔn)。

校正后的陀螺儀信號(hào)相對(duì)于最后磁場(chǎng)值定義其旋轉(zhuǎn)。一旦確定了新的磁場(chǎng)值，便會(huì)將其饋入擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）。EKF估計(jì)磁力計(jì)偏移和磁場(chǎng)矢量的大?。ò霃剑?。磁強(qiáng)計(jì)干擾檢測(cè)基于卡爾曼濾波器的殘差。

由于這些快速傳統(tǒng)型磁力計(jì)校準(zhǔn)器利用陀螺儀數(shù)據(jù)，因此在重新校準(zhǔn)過(guò)程中被校準(zhǔn)的設(shè)備必須處于靜止?fàn)顟B(tài)，即陀螺儀本身在校準(zhǔn)期間不會(huì)漂移。然而，對(duì)于較新的“體戴式”裝置而言，這并不可行，因?yàn)檫@些時(shí)刻、并且是在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)處于使用和運(yùn)動(dòng)中。

定義了這個(gè)問(wèn)題后，Bosch Sensortec專注于通過(guò)開(kāi)發(fā)“自然使用型”快速磁力計(jì)校準(zhǔn)軟件來(lái)迎接挑戰(zhàn)。該軟件針對(duì)每種不同類型設(shè)備的典型用途獲得配置，即使這些處于恒定運(yùn)動(dòng)中。其目標(biāo)在于確保即使用戶不必做出任何特定、有意的動(dòng)作，設(shè)備中的慣性傳感器也可以自動(dòng)且準(zhǔn)確地校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)在變化環(huán)境中的使用。

以下將介紹可穿戴設(shè)備、控制器和耳機(jī)的幾個(gè)示例：

腕部可穿戴設(shè)備

對(duì)于佩戴腕表或健身追蹤器的人來(lái)說(shuō)，經(jīng)常瀏覽設(shè)備、查看計(jì)算的步數(shù)或燃燒的卡路里、閱讀消息通知，或只是查看時(shí)間再自然不過(guò)了。由于大多數(shù)用戶不知道自己位于會(huì)影響其磁力計(jì)的材料附近，或者甚至在其設(shè)備中安裝了磁力計(jì)，因此設(shè)備需要在不知情的情況下在后臺(tái)執(zhí)行校準(zhǔn)。此外，如果用戶必須在空中揮手以校準(zhǔn)“智能腕表”，看起來(lái)會(huì)很奇怪。因此，Bosch Sensortec磁力計(jì)校準(zhǔn)器可在后臺(tái)靜音工作，無(wú)論何時(shí)用戶查看手腕，都可以補(bǔ)償磁力計(jì)偏移。

統(tǒng)計(jì)學(xué)已經(jīng)證明，只需做出兩三個(gè)“查看”設(shè)備的動(dòng)作，這種用于可穿戴設(shè)備的快速磁力計(jì)校準(zhǔn)器便可估算出偏移，而且以典型且較低的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。

圖9：腕部可穿戴設(shè)備中航向誤差的系統(tǒng)消除

該校準(zhǔn)程序?qū)κ覂?nèi)和室外導(dǎo)航應(yīng)用都很有效。例如，使用九軸慣性傳感器估算用戶位置和步行軌跡的PDR（行人航位推算）應(yīng)用程序在激活校準(zhǔn)器時(shí)具有相當(dāng)高的精度。下面的例子清楚地表明，雖然兩個(gè)軌跡估算都是從0.0開(kāi)始，但在約為2x200m的短行走距離中未校準(zhǔn)設(shè)備的累積航向誤差導(dǎo)致的位置誤差超過(guò)43％。

虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)耳機(jī)

與此類似，現(xiàn)實(shí)中無(wú)法要求虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)的用戶經(jīng)常以八字形運(yùn)動(dòng)移動(dòng)其頭部，尤其是佩戴耳機(jī)時(shí)。特別是對(duì)于耳機(jī)，由于大腦會(huì)記錄用戶實(shí)際運(yùn)動(dòng)和在屏幕上看到的視覺(jué)圖像之間的對(duì)準(zhǔn)偏差，即使相對(duì)較小的航向和水平傾斜偏差也可能導(dǎo)致非常不愉快的眩暈癥狀。

Bosch Sensortec的耳機(jī)磁力計(jì)校準(zhǔn)器校準(zhǔn)磁力計(jì)，同時(shí)用戶可自然地將頭部繞頸部軸線移動(dòng)。校準(zhǔn)的積極效果已明顯地在頭部跟蹤算法和多個(gè)AR/VR子使用案例中的關(guān)鍵性能定位結(jié)果中得到證明。

圖12：AR/VR耳機(jī)——帶磁力計(jì)校準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)

游戲控制板，VR/TV遙控器

隨著定向傳感器滲透到越來(lái)越多的電視遙控器中，以及VR遙控器和游戲控制板向應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者提供越來(lái)越復(fù)雜的服務(wù)，收集準(zhǔn)確可靠的航向數(shù)據(jù)并使真北與內(nèi)容顯示設(shè)備彼此協(xié)調(diào)變得至關(guān)重要。這一問(wèn)題尤其體現(xiàn)在，當(dāng)用戶手持控制裝置時(shí)，盡管他們的手靜止，但依然看到光標(biāo)在前進(jìn)中漂移，或光標(biāo)朝著與其實(shí)際手部動(dòng)作不同的方向移動(dòng)。

同樣，Bosch Sensortec的磁力計(jì)校準(zhǔn)器考慮到遙控器或游戲控制板的自然運(yùn)動(dòng)，并大大減少了航向偏差，如下面的實(shí)際數(shù)據(jù)所示。

圖13：游戲控制板/VR遙控精度與磁力計(jì)校準(zhǔn)

綜述

3D線圈和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)工具的組合可用于創(chuàng)建和利用SIC矩陣，此外，通過(guò)借助用戶界面通知用戶進(jìn)行八字形動(dòng)作，和集成自然使用型快速磁力計(jì)校準(zhǔn)器軟件，九軸傳感器數(shù)據(jù)融合的可靠性如今獲得大幅提升。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)榇帕τ?jì)精度和傳感器數(shù)據(jù)融合是智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、AR/VR耳機(jī)和控制單元，甚至機(jī)器人真空吸塵器等各種設(shè)備的重要組成部分。

Bosch Sensortec的3D軟鐵補(bǔ)償將“禁區(qū)”減少了70％，為設(shè)計(jì)師和布局工程師提供了更大的靈活性和準(zhǔn)確性保證，并顯著降低了對(duì)產(chǎn)品再原型設(shè)計(jì)的需求。

此外，使用中校準(zhǔn)以及智能校準(zhǔn)技術(shù)通過(guò)降低現(xiàn)代環(huán)境中普遍存在的硬鐵扭曲，大大提高了航向精度。雖然使用中校準(zhǔn)依賴于用戶在三維空間中進(jìn)行八字形動(dòng)作，但Bosch Sensortec開(kāi)發(fā)的智能校準(zhǔn)器可以巧妙地融合設(shè)備自然使用期間收集的傳感器數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。例如，對(duì)于智能腕表等可穿戴設(shè)備，軟件通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)融合提高了行人跟蹤的可靠性。與此類似，通過(guò)分析耳機(jī)用戶的各種典型動(dòng)作，例如躲避、低頭和彎腰、跳躍和坐下等，Bosch Sensortec比市面上其他類似的傳統(tǒng)型解決方案實(shí)現(xiàn)了更高的傳感器數(shù)據(jù)融合精度。

雖然航向精度的提高只是傳感器數(shù)據(jù)融合如何改善最終用戶體驗(yàn)的一個(gè)例子，但Bosch Sensortec的傳感器數(shù)據(jù)融合軟件中還包含其他多種算法，可以幫助設(shè)備制造商令自己的設(shè)備脫穎而出，并大大改善終端用戶體驗(yàn)。