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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)實世界設計傳感器融合是一個高度專業(yè)化的設計領域，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節(jié)以及它們的缺點和交互情況。多年來，人們的關注點已經(jīng)被帶進導航、智能手機應用和游戲等領域。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，操作需要進行精細調(diào)整�，F(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雜的反復過程。如今的軟件具有以很高層次執(zhí)行這種“精細調(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)
預定義濾波器使得精細調(diào)整速度更快既然傳感器融合操作的精細調(diào)整已發(fā)展并簡化成了濾波器調(diào)整任務，它就給開發(fā)人員提供了一個有價值的機會。通過適當調(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，以便適應最終目標市場。
關鍵性能指標測量設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)記錄應用同時記錄的矢量進行比較。使用這種基于攝像機的系統(tǒng)允許對最終商用設備進行直接比較。
靜態(tài)精度靜態(tài)精度被定義為設備置于穩(wěn)定位置時，測量到的設備方位與實際設備方位之間的偏差。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)精度值的設備中，最終用戶可以在羅盤或地圖應用的絕對航向中看到很大偏差，當設備處于靜態(tài)狀態(tài)，他們還能在交互式應用中見到抖動(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)精度被定義為設備在運動時，測量到的設備方位與實際設備方位之間的偏差。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)進行計算的。所有數(shù)據(jù)都以最快可能的數(shù)據(jù)速率進行采集。
在具有低動態(tài)精度的設備中，最終用戶可以看到屏幕上的移動與設備實際運動之間有很大偏差。這在增強現(xiàn)實應用中特別引人注意，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。
雖然直接關系不是很明顯，但大誤差的動態(tài)精度也是室內(nèi)導航應用性能差的主要原因。由于用戶在已知固定點之間導航(比如從Wi-Fi或藍牙信標開始)，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
校準時間校準時間被定義為在純凈的磁場環(huán)境中校準設備中的磁力傳感器，使之從未校準狀態(tài)到完全校準狀態(tài)所需的時間。所有磁性傳感器都需要進行校準，但用于校準的方法定義了最終用戶是否需要校準以及如何去校準。
一些設備采用8字舞校準方法，即提示最終用戶將設備在空氣中做8字運動完成設備的校準。即使是由有經(jīng)驗的測試人員來做，這種方法也要花5s～6s的時間才能完成設備校準。
具有較短校準時間的設備使用陀螺儀校準磁力傳感器，這意味著校準可以在背景中運行，所要求的設備移動幅度要小得多。這些移動通常在正常操作中進行，最終用戶永遠不必主動去校準傳感器。博世傳感器技術(shù)公司的快速磁力校準(FMC)算法就是使用后一種方法來確保較短的校準時間。
方位穩(wěn)定時間方位穩(wěn)定時間被定義為“運動之后”到達精確、穩(wěn)定方位狀態(tài)所需的時間。方位穩(wěn)定時間應盡可能短，以便用戶看不到他們停止移動設備與設備停止移動并穩(wěn)定到正確位置之間的延遲。當設備的靜態(tài)和動態(tài)精度都很差時，設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。這種效應在需要實時響應的游戲和虛擬/增強現(xiàn)實應用中尤其令人討厭。
從詳細的評估和分析來看，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)比較復雜，但對開發(fā)人員來說，從當前傳感器融合過渡到這種先進解決方案的任務卻相對簡單。
傳感器融合技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到相當成熟的階段。通過將傳感器和傳感器融合構(gòu)建模塊設計到相同封裝中，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)設計師不再需要在組裝、優(yōu)化和調(diào)試傳統(tǒng)“永遠在線”子系統(tǒng)方面花費時間，因為通過設計，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備還將具有顯著改進的性能和功效。
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