6DOF和9DOF傳感器融合的基礎知識

　　eCompass 建立在一個非常靈敏的 3 軸磁力計之上，該磁力計致力于測量地球的地磁場。它與一個 3 軸加速度計相關聯(lián)，其主要目的是為地球磁場矢量提供水平參考，類似于機械磁羅盤必須保持水平才能使其指針自由旋轉(zhuǎn)并指向北極。

　　這兩個傳感器的組合為“傾斜補償”電子羅盤提供了六個可測量數(shù)據(jù)點，通常稱為六個自由度 （DOF）。這種雙傳感器組合的主要優(yōu)勢在于，無論用戶如何握住智能手機或平板電腦（例如，在平面或垂直位置、縱向或橫向），它都能提供北向。如果這兩個矢量不共線（例如在兩極），六自由度電子羅盤可以通過簡單地測量地球的重力和地磁場進一步提供設備在 3D 空間中的姿態(tài)和航向。這就是天空地圖應用程序可以指向可見恒星并教你星座的方式。

　　雖然加速度計的現(xiàn)成精度令人滿意，但磁力計測量容易受到失真和誤差的影響，這些失真和誤差會影響最終環(huán)境中的校準和校正。事實上，即使磁力計已經(jīng)由供應商徹底校準，一旦安裝到最終產(chǎn)品中，它也會遭受局部磁場擾動，例如硬鐵和軟鐵失真，這主要是由于附近存在磁性材料。傳感器。磁干擾可能比地球感興趣的地磁場大 20 倍，因此絕對必須消除它們。

　　一個值得注意的場磁力計校準程序是個人設備指示其用戶執(zhí)行的“數(shù)字 8”手勢。在這里，校準是通過簡單地利用用戶設備的各種自然方向在環(huán)境中執(zhí)行的，或者通過直接操縱設備或通過用戶的移動間接進行。最精確的校準算法基于將實際磁力計測量的散點圖擬合到橢球體，然后使用校正參數(shù)將橢球體轉(zhuǎn)換為球體。

　　一旦正確校準，六自由度電子羅盤就能夠提供設備的準確方向。此外，復雜的橢球到球體擬合校準算法可以在后臺運行并定期更新校正參數(shù)以跟蹤環(huán)境溫度等變化。盡管如此，六自由度電子羅盤仍然存在一些弱點：

　　加速度計測量僅在靜止時反映地球重力矢量。每當設備移動時，也會捕獲線性加速度，這可能會破壞傾斜校正的水平度估計。

　　盡管經(jīng)過校準，磁力計仍然對隨時間變化的磁干擾高度敏感。任何變化的“磁環(huán)境”都會導致無法恢復的測量失真。

　　兩個傳感器的輸出數(shù)據(jù)通常經(jīng)過低通濾波，以消除測量噪聲（尤其是磁力計）并減少擾動影響。這會導致系統(tǒng)響應滯后，因為計算出的方向可能會被嚴重平滑。

　　為了緩解 6DOF 的不足，可以添加一個 3 軸陀螺儀，創(chuàng)建一個 9DOF 或“陀螺穩(wěn)定”的電子羅盤解決方案。陀螺儀為系統(tǒng)提供了對瞬時旋轉(zhuǎn)速度的獨立測量，這補充了 6DOF 計算的定向角度。盡管如此，陀螺儀還是有一個惱人的“零漂移偏移”缺點，因為嚴格靜止的陀螺儀將提供剩余的旋轉(zhuǎn)速度偏移，而不是理論上的每秒零度。糾正這個誤差很重要，因為旋轉(zhuǎn)速度測量誤差將通過與 6DOF 旋轉(zhuǎn)角度估計相匹配的積分隨著時間累積。

　　與 6DOF 加速度計/磁力計數(shù)據(jù)經(jīng)過低通濾波的方式類似，3DOF 陀螺儀數(shù)據(jù)也可以經(jīng)過高通濾波以消除不需要的 DC 偏移。事實上，由于使用擴展卡爾曼濾波器的專用數(shù)據(jù)處理，甚至可以估計這些偏移量。解決 6DOF 和 9DOF 傳感器融合雛形的一種全面而有指導意義的方法是使用飛思卡爾的傳感器融合工具箱進行試驗，該工具箱可在 www.freescale.com/sensorfusion 下載。

　　得益于第三種傳感器和傳感器融合算法，9DOF 傾斜補償和陀螺穩(wěn)定型電子羅盤現(xiàn)在正在從所有三個傳感器中收集最佳數(shù)據(jù)，利用其他傳感器的優(yōu)勢識別和補償一些缺陷。它提供了對設備方位角、旋轉(zhuǎn)速度、線性加速度、地球重力和地磁場的準確、低噪聲、平滑但響應迅速的估計；提供傳感器校準錯誤信息；并且對磁干擾更有彈性。結(jié)果大大超過了單個傳感器貢獻的總和，這是傳感器融合的本質(zhì)。

　　審核編輯：郭婷