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- 典型的傳感器融合軟件架構(gòu)
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2015/4/20
現(xiàn)實世界設(shè)計傳感器融合是一個高度專業(yè)化的設(shè)計領(lǐng)域，需要熟練掌握建模和仿真技術(shù)。它要求盡最大可能地理解傳感器的工作細(xì)節(jié)以及它們的缺點和交互情況。多年來，人們的關(guān)注點已經(jīng)被帶進(jìn)導(dǎo)航、智能手機應(yīng)用和游戲等領(lǐng)域。但直到現(xiàn)在，借助大量知識的儲備和累積，才使得人們可以獲得真實和精確的結(jié)果。
在基于傳感器融合的系統(tǒng)中，操作需要進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。現(xiàn)實世界中沒有什么事像“即插即用”這么簡單。一個系統(tǒng)的試運行要求必須調(diào)整參數(shù)，而且每個傳感器的操作之間存在交互，因此很容易變成高度復(fù)雜的反復(fù)過程。如今的軟件具有以很高層次執(zhí)行這種“精細(xì)調(diào)整”的能力，并且可以向OEM廠商提供簡單直觀的濾波器調(diào)整程序(圖1)。
圖1 典型的傳感器融合軟件架構(gòu)
預(yù)定義濾波器使得精細(xì)調(diào)整速度更快既然傳感器融合操作的精細(xì)調(diào)整已發(fā)展并簡化成了濾波器調(diào)整任務(wù)，它就給開發(fā)人員提供了一個有價值的機會。通過適當(dāng)調(diào)整濾波器，開發(fā)人員或OEM廠商可以讓最終產(chǎn)品以市場差異化的方式運行。由于所有權(quán)衡管理都是自動完成的，開發(fā)人員可以做出有效的決策，例如在最高穩(wěn)定性和最高性能之間做出權(quán)衡，以便適應(yīng)最終目標(biāo)市場。
關(guān)鍵性能指標(biāo)測量設(shè)置所有傳感器融合技術(shù)并不等同。在現(xiàn)有的實現(xiàn)技術(shù)和測試方面，不同供應(yīng)商之間有很大差異。為了得到正確結(jié)果，必須采用含有經(jīng)過驗證的精確庫的正確軟件方法。
所有硬件在接口和時序參數(shù)方面必須兼容和匹配。合理的方法是確保攝像頭系統(tǒng)的性能，這些系統(tǒng)將通過跟蹤物體上的標(biāo)記根據(jù)物體(本例中是智能手機)移動產(chǎn)生方位矢量。方位矢量再與傳感器創(chuàng)建的、用數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用同時記錄的矢量進(jìn)行比較。使用這種基于攝像機的系統(tǒng)允許對最終商用設(shè)備進(jìn)行直接比較。
靜態(tài)精度靜態(tài)精度被定義為設(shè)備置于穩(wěn)定位置時，測量到的設(shè)備方位與實際設(shè)備方位之間的偏差。為了計算靜態(tài)精度，需要手機在多個位置靜止放置時收集航向、俯仰和滾轉(zhuǎn)方面的成套數(shù)據(jù)。一個設(shè)備的靜態(tài)精度主要受磁力計和陀螺儀的硬件參數(shù)以及軟件中給它們分別分配的權(quán)重影響。在具有低靜態(tài)精度值的設(shè)備中，最終用戶可以在羅盤或地圖應(yīng)用的絕對航向中看到很大偏差，當(dāng)設(shè)備處于靜態(tài)狀態(tài)，他們還能在交互式應(yīng)用中見到抖動(很小的旋轉(zhuǎn)移動)。這是由于軟件校正陀螺儀漂移引起的。
動態(tài)精度動態(tài)精度被定義為設(shè)備在運動時，測量到的設(shè)備方位與實際設(shè)備方位之間的偏差。由于在運動期間涉及到旋轉(zhuǎn)加速度，測量起來更加困難。動態(tài)精度是在手機以不同運動模式(8字舞、慢速線性、快速和慢速旋轉(zhuǎn)以及游戲動作)運動時，通過采集航向、俯仰和滾轉(zhuǎn)等成套數(shù)據(jù)進(jìn)行計算的。所有數(shù)據(jù)都以最快可能的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行采集。
在具有低動態(tài)精度的設(shè)備中，最終用戶可以看到屏幕上的移動與設(shè)備實際運動之間有很大偏差。這在增強現(xiàn)實應(yīng)用中特別引人注意，因為增強單元的移動與現(xiàn)實世界不是同步的。這也是用戶在使用虛擬現(xiàn)實幾分鐘后就感到不滿意的原因之一。
雖然直接關(guān)系不是很明顯，但大誤差的動態(tài)精度也是室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用性能差的主要原因。由于用戶在已知固定點之間導(dǎo)航(比如從Wi-Fi或藍(lán)牙信標(biāo)開始)，傳感器數(shù)據(jù)可用于計算軌跡。然而，航向誤差將隨著時間的推移而累積，因此具有15°較差動態(tài)精度的設(shè)備很容易在20s～30s時間內(nèi)產(chǎn)生超過100°的累積誤差。諸如地圖匹配等更高層處理也許可以做些修正，但代價是更大的功耗(圖2)。
圖2 方位隨時間發(fā)生偏離
校準(zhǔn)時間校準(zhǔn)時間被定義為在純凈的磁場環(huán)境中校準(zhǔn)設(shè)備中的磁力傳感器，使之從未校準(zhǔn)狀態(tài)到完全校準(zhǔn)狀態(tài)所需的時間。所有磁性傳感器都需要進(jìn)行校準(zhǔn)，但用于校準(zhǔn)的方法定義了最終用戶是否需要校準(zhǔn)以及如何去校準(zhǔn)。
一些設(shè)備采用8字舞校準(zhǔn)方法，即提示最終用戶將設(shè)備在空氣中做8字運動完成設(shè)備的校準(zhǔn)。即使是由有經(jīng)驗的測試人員來做，這種方法也要花5s～6s的時間才能完成設(shè)備校準(zhǔn)。
具有較短校準(zhǔn)時間的設(shè)備使用陀螺儀校準(zhǔn)磁力傳感器，這意味著校準(zhǔn)可以在背景中運行，所要求的設(shè)備移動幅度要小得多。這些移動通常在正常操作中進(jìn)行，最終用戶永遠(yuǎn)不必主動去校準(zhǔn)傳感器。博世傳感器技術(shù)公司的快速磁力校準(zhǔn)(FMC)算法就是使用后一種方法來確保較短的校準(zhǔn)時間。
方位穩(wěn)定時間方位穩(wěn)定時間被定義為“運動之后”到達(dá)精確、穩(wěn)定方位狀態(tài)所需的時間。方位穩(wěn)定時間應(yīng)盡可能短，以便用戶看不到他們停止移動設(shè)備與設(shè)備停止移動并穩(wěn)定到正確位置之間的延遲。當(dāng)設(shè)備的靜態(tài)和動態(tài)精度都很差時，設(shè)備上的這種延遲就很明顯，因為需要更多時間校正移動中累積的誤差。這種效應(yīng)在需要實時響應(yīng)的游戲和虛擬/增強現(xiàn)實應(yīng)用中尤其令人討厭。
從詳細(xì)的評估和分析來看，顯然本文所述的傳感器融合現(xiàn)在可以廣泛應(yīng)用于專業(yè)級和消費級市場�，F(xiàn)場試驗表明，用戶可以在性能和精度方面獲得有價值的升級。雖然硬件和軟件方面的概念和工程技術(shù)比較復(fù)雜，但對開發(fā)人員來說，從當(dāng)前傳感器融合過渡到這種先進(jìn)解決方案的任務(wù)卻相對簡單。
傳感器融合技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段。通過將傳感器和傳感器融合構(gòu)建模塊設(shè)計到相同封裝中，可以確保這些單元得到最優(yōu)化，并能夠很好地協(xié)同工作。系統(tǒng)設(shè)計師不再需要在組裝、優(yōu)化和調(diào)試傳統(tǒng)“永遠(yuǎn)在線”子系統(tǒng)方面花費時間，因為通過設(shè)計，每個器件都對最高精度和最低功耗做了優(yōu)化。
這種高度的技術(shù)和設(shè)計創(chuàng)造性帶給開發(fā)人員的優(yōu)勢，可以給OEM廠商提供巨大好處，他們不僅能夠向市場推出高度差異化的產(chǎn)品，而且其向用戶提供的整個新一代電子設(shè)備還將具有顯著改進(jìn)的性能和功效。
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