慣性傳感器如何用于傳感器融合

運(yùn)動(dòng)傳感設(shè)備無處不在，在我們?nèi)粘Ｊ褂玫囊恍?a target="_blank">電子產(chǎn)品中。運(yùn)動(dòng)傳感器位于耳塞中——當(dāng)我們將它們從耳朵中取出時(shí)，注意點(diǎn)擊以更改歌曲或暫停音樂。它們用于游戲和培訓(xùn)中使用的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)耳機(jī)中的頭部跟蹤。運(yùn)動(dòng)傳感器支持游戲遙控器(用于定位)、消費(fèi)級(jí)機(jī)器人(用于航向)和您的手機(jī)(也用于定位)。它們的傳感由慣性測量單元(慣性傳感器)提供動(dòng)力——許多常用消費(fèi)電子產(chǎn)品中的傳感器，如前面列出的那些。他們的能力通過傳感器融合解鎖。在本文中，我們將探討什么是傳感器融合以及它可以做什么。

一、什么是慣性傳感器?

在我們進(jìn)入傳感器融合之前，快速回顧一下慣性測量單元(慣性傳感器)似乎是相關(guān)的。慣性傳感器是一種傳感器，通常由加速度計(jì)和陀螺儀組成，有時(shí)還包括磁力計(jì)。通過查看來自這些傳感器的數(shù)據(jù)，設(shè)備能夠更全面地了解其方向和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

·加速度計(jì)測量單個(gè)方向的加速度(速度變化)，例如您踩到汽車油門時(shí)感受到的力。靜止時(shí)，加速度計(jì)測量重力。

·陀螺儀測量圍繞其三個(gè)軸的角速度。它在任何給定時(shí)刻輸出其旋轉(zhuǎn)偏航、俯仰和滾動(dòng)。

·很簡單，磁力計(jì)測量磁場。通過在穩(wěn)定的磁場中進(jìn)行適當(dāng)?shù)男?zhǔn)，它可以檢測到地球磁場的波動(dòng)。通過這些波動(dòng)，它找到了指向地球磁北的矢量，并給它一個(gè)絕對(duì)航向。

然后，傳感器的信息用于維持無人機(jī)的平衡、改善家用機(jī)器人吸塵器的航向、改變智能手機(jī)屏幕的方向以及其他與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的應(yīng)用。

二、慣性傳感器如何用于傳感器融合

現(xiàn)在我們了解了慣性傳感器的組成部分，它與傳感器融合有什么關(guān)系，我們?yōu)槭裁匆P(guān)心它?好吧，僅傳感器并不那么“智能”。他們生成原始數(shù)據(jù)。但這些原始數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理和打包才能成為可操作的。

慣性傳感器中的傳感器類似于閱讀您的患者檔案的?？漆t(yī)生——他們都有自己的意見，并且他們的專長為他們提供其他人沒有的洞察力，但您可以處理他們的意見以做出最終決定。例如，如果加速度計(jì)表明重力正在從指向下方變?yōu)楦降慕嵌龋勇輧x顯示幾乎沒有運(yùn)動(dòng)，你相信哪個(gè)?那么，在這種情況下，陀螺儀應(yīng)該更受信任，因?yàn)樗皇芡饬Φ挠绊?。由于陀螺儀告訴我們用戶框架沒有改變，可以肯定地說設(shè)備一直在加速，就像汽車直線行駛一樣。

在另一種情況下，如果陀螺儀顯示小而一致的角速度，但加速度計(jì)和磁力計(jì)顯示設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，那么您可以相信兩位同意的“醫(yī)生”的意見。然后你可以推斷出有一些陀螺儀偏差會(huì)給出錯(cuò)誤的輸出。這些示例旨在展示傳感器融合對(duì)于理解基于傳感器信息融合的最佳輸出是必不可少的。這可用于確定準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)、方向和航向信息。

三、探索可能性

與傳感器融合軟件結(jié)合使用時(shí)，慣性傳感器不僅可用于更準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)、方向和航向，還可用于特殊功能。深思熟慮的慣性傳感器數(shù)據(jù)融合可以通過預(yù)測性頭部跟蹤創(chuàng)建流暢的XR體驗(yàn)，從而最大限度地減少延遲影響。對(duì)于無線演示或電視遙控器，傳感器融合可以直接將3D控制器運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為屏幕上直觀的2D運(yùn)動(dòng)。加速度計(jì)和陀螺儀傳感器的組合還可以檢測復(fù)雜的空中形狀和手勢。在人類導(dǎo)航中，分析來自加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)，傳感器融合可以估計(jì)某人步行的方向和距離。

傳感器融合不必僅通過慣性傳感器完成，但通常從慣性傳感器開始。在XR空間中，控制器方向與來自外部攝像頭的線性位置的融合可以創(chuàng)建一個(gè)有效的由內(nèi)向外的6自由度系統(tǒng)。對(duì)于機(jī)器人導(dǎo)航，慣性傳感器與光流和車輪編碼器數(shù)據(jù)的融合可創(chuàng)建準(zhǔn)確且穩(wěn)健的航位推算。如果涉及運(yùn)動(dòng)，傳感器融合可能會(huì)有所幫助。

四、傳感器表征和校準(zhǔn)

傳感器融合的另一部分是確保傳感器得到適當(dāng)校準(zhǔn)，因?yàn)閼T性傳感器受校準(zhǔn)影響很大。傳感器表征是在受控條件下從傳感器進(jìn)行測量的過程。這些測量可用于微調(diào)傳感器對(duì)各種溫度、操作模式和運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)方式。一旦傳感器被正確表征，傳感器融合可以幫助確保其性能得到優(yōu)化。

五、傳感器表征過程

為了正確表征傳感器，統(tǒng)計(jì)上顯著數(shù)量的傳感器需要放置在某種板上，以允許通信以更改模式和記錄數(shù)據(jù)。然后應(yīng)將此板放置在受控環(huán)境中。例如，他們可以坐在一個(gè)兩軸萬向節(jié)電機(jī)上，使其能夠通過所有三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。通過將這個(gè)裝置放在溫度室中，我們可以迭代不同溫度、位置和操作模式的排列。通過了解每個(gè)高精度電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式、溫度變化以及運(yùn)行的模式，我們可以獲得大量傳感器信息來表征傳感器。為了表征磁力計(jì)，可以將板放置在亥姆霍茲線圈中以產(chǎn)生受控磁場。

為了測試這些傳感器在其使用壽命內(nèi)的性能，傳感器還可以通過將它們暴露在極端的高溫和潮濕條件下進(jìn)行人工老化過程。然后，可以使用老化的傳感器運(yùn)行相同的測試以收集更新的數(shù)據(jù)?？梢允褂盟羞@些綜合數(shù)據(jù)創(chuàng)建傳感器模型，從而生成典型(標(biāo)稱)傳感器的模型，并隨后優(yōu)化其性能。

通過了解傳感器的行為方式，還可以調(diào)整加速度計(jì)和陀螺儀中的傳感器偏差。這些傳感器偏差與傳感器在靜止時(shí)看到的內(nèi)容有關(guān)。如果這聽起來很熟悉，那是因?yàn)檫@是慣性傳感器/醫(yī)生類比部分中討論的第二個(gè)想法。調(diào)整這些可能看起來像偏移一樣簡單，但這些偏差會(huì)隨溫度而變化，并且對(duì)于來自同一個(gè)批次的同一個(gè)傳感器會(huì)表現(xiàn)出不同的行為。這種偏差誤差很大，超過了比例誤差之外的大多數(shù)其他誤差。但是，通過適當(dāng)?shù)膫鞲衅魅诤?a target="_blank">算法，可以在設(shè)備使用時(shí)動(dòng)態(tài)完成校準(zhǔn)。

六、把碎片放在一起

正確使用傳感器需要多層理解。需要了解基本傳感器的工作原理，如何融合來自這些傳感器的數(shù)據(jù)以創(chuàng)建有意義的信息，如何根據(jù)應(yīng)用創(chuàng)建專門的功能，以及傳感器表征以真正優(yōu)化性能。這個(gè)過程說起來很復(fù)雜至少。使用龐大且強(qiáng)大的傳感器融合功能庫對(duì)其進(jìn)行簡化，可以提供一致、準(zhǔn)確的結(jié)果。

審核編輯：湯梓紅