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如何利用傳感器融合增強(qiáng)設(shè)備性能

2016年04月28日 14:47 互聯(lián)網(wǎng) 作者:佚名 用戶(hù)評(píng)論(0

  隨著智能手機(jī)等功能強(qiáng)大的智能設(shè)備不斷進(jìn)步,新的應(yīng)用層出不窮,系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)常跟不上不斷變化的新要求。如今,諸如室內(nèi)導(dǎo)航和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等使用運(yùn)動(dòng)或位置數(shù)據(jù)的新應(yīng)用,都要求用戶(hù)接受原本是為簡(jiǎn)單游戲應(yīng)用開(kāi)發(fā)的、不太完美的傳感器融合。但是,最終用戶(hù)很容易發(fā)現(xiàn)這些實(shí)現(xiàn)具有相當(dāng)多的缺點(diǎn),并且精度很低。

  傳感器融合是一種創(chuàng)新的工程技術(shù),通過(guò)整合來(lái)自各種系統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù),來(lái)保證更加精確、完整和可靠的傳感器信號(hào)或感知信息。要想實(shí)現(xiàn)始終精確的傳感器融合,工程師在決定如何優(yōu)化整合來(lái)自這些傳感器的數(shù)據(jù)之前,深入理解傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)很重要。一種可成功實(shí)現(xiàn)的方法是使用基于加速度計(jì)、磁力計(jì)和陀螺儀等傳感器信號(hào)的融合數(shù)據(jù)庫(kù),并通過(guò)補(bǔ)償每種傳感器的缺點(diǎn),來(lái)提供高精度、可靠和穩(wěn)定的方位數(shù)據(jù)。

  隨著最終用戶(hù)不斷接觸到這些新的應(yīng)用,他們希望能有更加精確和可靠的解決方案。將傳感器用于在已知固定位置之間跟蹤用戶(hù)的室內(nèi)導(dǎo)航與早期的GPS設(shè)備非常類(lèi)似,只有質(zhì)量?jī)?yōu)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(hù)信心。OEM廠(chǎng)商都明白這一點(diǎn),因此大多數(shù)廠(chǎng)商都認(rèn)為這是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化的良好契機(jī)。

  另外一個(gè)例子是從虛擬現(xiàn)實(shí)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的進(jìn)步。在虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)系統(tǒng)中,用戶(hù)與現(xiàn)實(shí)世界相隔離,沉浸于一個(gè)人造世界中。而在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)系統(tǒng)中,用戶(hù)仍能與現(xiàn)實(shí)世界相接觸,同時(shí)又能與他們周?chē)奶摂M物體進(jìn)行互動(dòng)。利用現(xiàn)有的技術(shù),信息傳送的延遲對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是不能忍受的—增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的這種錯(cuò)位可能導(dǎo)致非常糟糕的用戶(hù)體驗(yàn)。

  對(duì)OEM廠(chǎng)商和平臺(tái)開(kāi)發(fā)人員(即操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員)來(lái)說(shuō),最大的挑戰(zhàn)是需要確保所有器件都能提供滿(mǎn)足這些應(yīng)用穩(wěn)定工作要求的性能。舉例來(lái)說(shuō),安卓設(shè)備中有許多不同的軟硬件組合,每種組合都會(huì)產(chǎn)生不同的輸出質(zhì)量。目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試程序,這意味著應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員不能依靠安卓傳感器數(shù)據(jù)在許多不同平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)相同的性能。以下是用運(yùn)動(dòng)跟蹤攝像頭系統(tǒng)分析和比較不同軟硬件組合性能從而設(shè)定最小性能標(biāo)準(zhǔn)的建議。性能分析是通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的4個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPI)實(shí)現(xiàn)的,這些指標(biāo)是:靜態(tài)精度、動(dòng)態(tài)精度、方位穩(wěn)定時(shí)間和校準(zhǔn)時(shí)間。

  攝像頭系統(tǒng)通過(guò)跟蹤物體上的標(biāo)記根據(jù)物體(智能手機(jī))的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生方位矢量,這些矢量再與手機(jī)中傳感器創(chuàng)建的矢量進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用程序?qū)@些矢量進(jìn)行同時(shí)記錄,該應(yīng)用程序支持最終用戶(hù)設(shè)備的直接比較。

  本文將介紹智能手機(jī)環(huán)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,并介紹在許多旗艦智能手機(jī)上執(zhí)行的、包括性能結(jié)果測(cè)量在內(nèi)的一種測(cè)試方法。

  文章所描述的融合庫(kù)使用加速度計(jì)、磁力計(jì)和陀螺儀傳感器信號(hào)補(bǔ)償彼此的缺點(diǎn),并提供高精度、可靠和穩(wěn)定的方位數(shù)據(jù)。下面著重分析這些關(guān)鍵器件的優(yōu)缺點(diǎn),以及它們是如何補(bǔ)償彼此缺點(diǎn)的(圖1)。

  如何利用傳感器融合增強(qiáng)設(shè)備性能

  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(lái)說(shuō),方位是相對(duì)于一個(gè)坐標(biāo)系中規(guī)定的參考系進(jìn)行定義的。至少需要3個(gè)獨(dú)立的值作為三維矢量的一部分,用于描述真正的方位。物體的所有點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中都會(huì)改變它們的位置,位于旋轉(zhuǎn)軸上的點(diǎn)除外。

  磁力計(jì)

  磁力計(jì)對(duì)干擾性的本地磁場(chǎng)和畸變高度敏感,它們?nèi)菀自斐捎?jì)算得到的磁航向出現(xiàn)錯(cuò)誤。陀螺儀可以用來(lái)在沒(méi)有旋轉(zhuǎn)記錄的情況下檢測(cè)這種干擾和航向變化。傳感器融合隨后通過(guò)給陀螺儀數(shù)據(jù)提供比磁力計(jì)數(shù)據(jù)更多的權(quán)重,就可以精確地進(jìn)行補(bǔ)償。

  地球磁場(chǎng)的水平分量用于計(jì)算磁航向,而俯仰角和滾轉(zhuǎn)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(chǎng)。當(dāng)設(shè)備不處于水平位置時(shí),即傾斜角不是零時(shí),航向計(jì)算將不正確。因此在利用加速度計(jì),通過(guò)旋轉(zhuǎn)XY平面對(duì)方位進(jìn)行計(jì)算之前,確保這些傾斜角得到補(bǔ)償很重要。

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( 發(fā)表人:方泓翔 )

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