為什么選擇傳感器融合？

MEMS傳感器包括：加速度傳感器，用于測量線性加速度和地球重力矢量；陀螺儀，用于測量角速度；磁力計，用于測量地球磁場以用于航向確定；壓力傳感器，其用于測量氣壓以用于海拔確定。通過將這些組件組合到傳感器融合解決方案中，應(yīng)用程序的數(shù)量變得非常大。本文通過描述一些使用互補(bǔ)濾波器的示例，說明了如何使這些傳感器在傳感器融合解決方案中協(xié)同工作?？柭鼮V波器和擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）。

對于自由落體檢測，屏幕旋轉(zhuǎn)，計步器，傾斜測量和運(yùn)動檢測等應(yīng)用，加速度計本身可以執(zhí)行任務(wù)。但是，對于其他其他高級應(yīng)用程序，包括基于位置的服務(wù)，增強(qiáng)型運(yùn)動游戲，行人航位推測導(dǎo)航，機(jī)器人平衡，空中鼠標(biāo)，人體跟蹤，無人飛行器等，為實現(xiàn)更好的性能，必須融合MEMS傳感器。系統(tǒng)級別的準(zhǔn)確性，分辨率，穩(wěn)定性和響應(yīng)時間。傳感器融合是一組用于預(yù)測和過濾的自適應(yīng)算法。它利用來自各種傳感器的不同和互補(bǔ)的信息，以一種智能的方式將它們組合在一起，以優(yōu)化系統(tǒng)性能并啟用新的驚人應(yīng)用程序。

為什么選擇傳感器融合？

在設(shè)計使用多個MEMS傳感器的系統(tǒng)時，重要的是要了解加速度計，陀螺儀，磁力計和壓力傳感器的優(yōu)缺點。

傳感器融合解決了由3軸加速度計和3軸陀螺儀或3軸加速度計和3軸磁傳感器組成的6軸模塊的關(guān)鍵運(yùn)動傳感性能問題。1）當(dāng)陀螺儀隨時間漂移時，帶有加速度計和陀螺儀的6軸慣性模塊會失去其絕對方向，因此需要進(jìn)行校準(zhǔn)以恢復(fù)準(zhǔn)確的航向參考值。2）帶有加速度計和磁力計的6軸模塊在環(huán)境中存在含鐵材料的情況下容易損壞數(shù)據(jù)。3）9軸模塊，帶加速度計，陀螺儀和磁力計消除了獨立傳感器解決方案中出現(xiàn)的漂移。但是這些可能會受到電磁干擾。需要融合傳感器數(shù)據(jù)的算法來補(bǔ)償電磁干擾。

傳感器融合的目的是將每個傳感器的測量數(shù)據(jù)作為輸入，然后應(yīng)用數(shù)字濾波算法來相互補(bǔ)償，并輸出準(zhǔn)確且響應(yīng)迅速的動態(tài)姿態(tài)（俯仰/側(cè)傾/偏航）結(jié)果。

輔助濾波器

某些應(yīng)用程序（例如機(jī)器人平衡，相機(jī)圖像穩(wěn)定和3D指針）在系統(tǒng)中安裝了加速度計和陀螺儀。當(dāng)系統(tǒng)靜止時，加速度計可以提供準(zhǔn)確的傾斜角測量。當(dāng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動時，加速度計將無法跟隨快速運(yùn)動。陀螺儀可以輸出動態(tài)角速度數(shù)據(jù)。在對該數(shù)據(jù)進(jìn)行時間上的單個積分之后，可以計算出角位移或傾斜角，但是由于陀螺儀偏置漂移，該角度從長遠(yuǎn)來看將變得不準(zhǔn)確。

互補(bǔ)濾波器是融合加速度計和陀螺儀以及可選磁力計的簡單方法，以獲得準(zhǔn)確和響應(yīng)迅速的俯仰/側(cè)傾/偏航姿態(tài)輸出。它由用于加速度計的通用低通濾波器和用于陀螺儀的高通濾波器組成，與卡爾曼濾波器相比，它更易于理解和實現(xiàn)。以下示例說明了如何實現(xiàn)用于機(jī)器人自平衡的互補(bǔ)濾波器。

如上圖1所示，機(jī)器人具有一個用于測量靜態(tài)傾斜角θa的雙軸或三軸加速度計，以及一個用于測量動態(tài)傾斜角θg的單軸或雙軸陀螺儀?；パa(bǔ)濾波器然后融合這些測量結(jié)果以獲得最終傾斜角θ。微處理器使用此信息和來自陀螺儀的角速度信息來控制電機(jī)，以平衡機(jī)器人。互補(bǔ)濾波器框圖如圖2所示，具有雙軸加速度計和單軸陀螺儀配置。

雙軸加速度計

編輯：hfy