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- 各類運(yùn)動傳感器工作原理揭秘
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/12/8
各類運(yùn)動傳感器工作原理揭秘就在過去兩年中，運(yùn)動傳感技術(shù)已經(jīng)開始遍地開花——視頻控制臺、智能手機(jī)、電視遙控器和個人訓(xùn)練設(shè)備——就在我們給手機(jī)照片打上地理標(biāo)簽、玩視頻游戲以及通過電視機(jī)和有線電視機(jī)頂盒進(jìn)行頻道沖浪之時。這些東西知道我們身處何方、我們的目標(biāo)是什么、我們向哪里移動——上、下、四周和側(cè)面。使這些成為可能的是大量更小、更便宜和更快的新型傳感器。在經(jīng)過最佳集成后，它們能通過空間和時間精確地跟蹤我們的運(yùn)動。這些傳感器套件（加速度計、陀螺儀和磁力傳感器）在跟蹤運(yùn)動方面具有令人吃驚的能力，特別是與如今無所不在的GPS結(jié)合在一起之后。
但這些微型傳感器的潛力仍未被充分發(fā)掘，這里兩個簡單的原因。首先，提取出它們的數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)整合成精確可靠的指向和跟蹤信息是一種比大多數(shù)人想象的更具挑戰(zhàn)性的算法操作，經(jīng)常需要耗費(fèi)大量人力時間。其次，在硬件和應(yīng)用工程師之間有一個普遍（但錯誤）的假設(shè)，即大多數(shù)傳感器提供相似的性能水平，因此通常來自傳感器的數(shù)據(jù)不能滿足他們的應(yīng)用需求。
一般集成進(jìn)消費(fèi)產(chǎn)品的運(yùn)動檢測傳感器包括3軸陀螺儀、3軸加速度計和3軸地磁傳感器。在運(yùn)動跟蹤和絕對方向方面每種傳感器都有自己固有的強(qiáng)項和弱點。最近，傳感器“融合”正在進(jìn)入廣大消費(fèi)產(chǎn)品，成為一種克服單種傳感器弱點的有效方法。傳感器融合是一種復(fù)雜的軟件，它將來自各種傳感器的輸入組合在一起，產(chǎn)生一個更加精確的運(yùn)動檢測結(jié)果。這種軟件通常包含復(fù)雜的算法，如果正確實現(xiàn)的話可以綜合考慮幾百個變量。
3軸加速度傳感器
加速度計通過測量給定直線軸向的彈簧上的力來檢測直線加速度和重力矢量。加速度計是第一種出現(xiàn)在大批量應(yīng)用中的MEMS傳感器，可以用來實現(xiàn)汽車中的氣囊部署、照相機(jī)中的圖像防抖和筆記本中的自由落體檢測等功能。任天堂的Wii游戲機(jī)是第一種引入加速度計作為用戶輸入設(shè)備的主要消費(fèi)產(chǎn)品，可以提供手勢識別、基本的運(yùn)動跟蹤和控制器定位等功能。現(xiàn)在基于許多理由，加速度計已經(jīng)在智能手機(jī)和平板電腦中十分普及，包括檢測設(shè)備朝向、將屏幕從豎屏調(diào)整到橫屏然后再調(diào)整回來等功能。
加速度計在運(yùn)動跟蹤方面有兩個主要的缺點，即：
加速度計不能建立絕對或相對的航向。當(dāng)安裝在一個固定的設(shè)備中時，3軸加速度計可以測量單個加速度軸上的加速度。如圖1所示，當(dāng)處于固定狀態(tài)時，可以根據(jù)垂直重力加速度矢量計算出滾動和傾斜角度。然而，航向是圍繞Z軸得到的，無法從重力矢量計算出航向。因此，加速度計不能提供航向。
圖1：重力矢量和圍繞軸的航向、傾斜和滾動。
加速度計對運(yùn)動太過敏感，極易導(dǎo)致手的抖動。在短時間內(nèi)這是非常令人惱火的，因為它意味著光標(biāo)或屏幕渲染的目標(biāo)也會抖動。幾分鐘以上的抖動將導(dǎo)致顯著的累積方向或位置誤差，特別是當(dāng)加速度計的噪聲與抖動在相同數(shù)量級時。目前廣泛使用的低成本消費(fèi)級加速度計的噪聲要比價格更高、體積更大、功耗更高的工業(yè)級加速度計大得多，如圖2所示。
圖2：消費(fèi)級和工業(yè)級加速度計噪聲。
3軸陀螺儀傳感器
陀螺儀（也稱為回轉(zhuǎn)儀或角速度傳感器）可以測量圍繞軸的旋轉(zhuǎn)角速度，并通過推導(dǎo)得到圍繞軸的旋轉(zhuǎn)角度。從20世紀(jì)早期推出以來，陀螺儀已經(jīng)從巨大的銅制臺式模型縮小到今天的低成本低功耗小型MEMS芯片，可以安裝在指甲蓋下方。消費(fèi)級陀螺儀于90年代中期最先集成進(jìn)Gyration公司的Air Mouse，后來MEMS陀螺儀被廣泛用于羅技的MX Air定點設(shè)備和LG的智能電視機(jī)遙控器等產(chǎn)品中。任天堂的Wii通過在Motion Plus控制器中增加陀螺儀進(jìn)一步增強(qiáng)了游戲體驗。陀螺儀還被添加進(jìn)iPhone 3GS中，用于擴(kuò)展游戲潛能，改進(jìn)基于位置的服務(wù)（LBS）功能的可用性。
就跟加速度計一樣，陀螺儀也有不足：
陀螺儀不能提供絕對基準(zhǔn)。因為這個原因，它們通常與加速度計一起使用，由加速度計提供向“下”的絕對基準(zhǔn)，從而也為傾斜和滾動讀數(shù)提供絕對基準(zhǔn)。陀螺儀經(jīng)常還要與地磁傳感器一起使用，由后者提供航向的絕對基準(zhǔn)。
陀螺儀的零偏或零偏移會隨時間漂移。如果不及時校正，將成為系統(tǒng)誤差的一個主要來源。例如，即使系統(tǒng)實際處于停止?fàn)顟B(tài)，陀螺儀輸出也會報告系統(tǒng)在移動。作為參考，錯誤零偏讀數(shù)為0.07°，對消費(fèi)級陀螺儀來說這是分辨率極限，在30秒后將導(dǎo)致2.1°的誤差。圖3顯示了在8分鐘周期內(nèi)典型的未校正零偏變化，而圖4顯示了這種誤差是如何轉(zhuǎn)變成航向的。
圖3：陀螺儀隨時間的偏移變化。
圖4：由于陀螺儀零偏變化引起的航向誤差。
3軸地磁傳感器
地磁傳感器用于測量地球的磁場，進(jìn)而推導(dǎo)出航向。歷史上曾用于羅盤的地磁傳感器如今被大批量用于種類廣泛的應(yīng)用，包括汽車羅盤（在后視鏡中）、手表、雷達(dá)探測器、傳動軸和機(jī)器人。然而，真正廣泛的采用起始于iPhone 3GS，它是美國首款包含羅盤并得到廣泛普及的智能手機(jī)。
磁力傳感器的主要問題是它們測量所有磁場，不僅是地球磁場。例如，像電池或含鐵元件等系統(tǒng)元件將干擾傳感器附近的磁場。這些被認(rèn)為是系統(tǒng)內(nèi)的固定干擾，可以通過校準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償。
更大的問題是改變局部磁場會臨時性地干擾航向信息。桌椅上的金屬部件、開過的汽車、附近的其它手機(jī)和電腦、窗框、建筑物內(nèi)的雷達(dá)等物件都會干擾讀數(shù)。補(bǔ)償這些磁場和其它瞬時地磁異常要求開發(fā)出復(fù)雜的算法，以便有效地將地球的磁場與其它臨時性“侵入”磁場區(qū)分開來。
傳感器融合——將傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動跟蹤
如前所述，加速度計、陀螺儀和地磁傳感器每個都有各自的優(yōu)缺點。下表1總結(jié)了每種傳感器在運(yùn)動跟蹤方面的主要優(yōu)勢和問題。
正如表1總結(jié)的那樣，一種傳感器的優(yōu)勢常常是另一種傳感器的問題，反之亦然。通過智能地“融合”它們的輸出，依靠一個輸出調(diào)整或代替另一個的結(jié)果，我們可以創(chuàng)建出一個9軸的運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)，其性能將遠(yuǎn)好于這些器件的簡單累加。
表1：傳感器優(yōu)勢和問題總結(jié)
今天，9軸“傳感器融合”系統(tǒng)剛剛開始普及。陀螺儀被確立為這些融合系統(tǒng)的主力，因為它具有良好的短期跟蹤精度、快速的響應(yīng)和更新速率以及對非重力加速度的免疫。陀螺儀的問題——1）沒有絕對基準(zhǔn)2）由于零偏漂移而具有嚴(yán)重的航向漂移——可以通過聯(lián)合運(yùn)用加速度計和地磁傳感器一起解決。地磁傳感器和加速度計可以給陀螺儀提供航向、傾斜和滾動用的長期絕對基準(zhǔn)。
但運(yùn)動跟蹤的最終精度直接取決于來自各個傳感器的原始輸入有多好。正如我們將要看到的那樣，并不是所有地磁傳感器都提供相同的結(jié)果。
在今天的消費(fèi)電子產(chǎn)品中使用最廣泛的地磁傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器。這種傳感器主導(dǎo)消費(fèi)市場的原因是體積小、價格低并且節(jié)省功耗。但這種傳感器同樣有噪聲，很容易受其它磁場干擾，這些問題如果不校正將限制其向陀螺儀提供正確航向數(shù)據(jù)的能力。然而，如果能夠接受稍大尺寸的永磁感應(yīng)式地磁傳感器，就可以在不犧牲成本或功耗的情況下獲得顯著改進(jìn)的噪聲與分辨率性能。表2顯示了霍爾效應(yīng)和永磁感應(yīng)傳感器的規(guī)格。注意，永磁感應(yīng)傳感器可以提供明顯更低的噪聲和更高的分辨率。
表2：霍爾效應(yīng)和永磁感應(yīng)傳感器規(guī)格
下圖顯示了地磁傳感器在磁場強(qiáng)度為2.4mT數(shù)量級的固定位置旋轉(zhuǎn)時輸出的磁場讀數(shù)。在圖5中，傳感器旋轉(zhuǎn)了整整360°，而在圖6中，傳感器從0°旋轉(zhuǎn)到90°。這兩張圖都繪出了霍爾效應(yīng)傳感器、永磁感應(yīng)傳感器和理想傳感器的試驗數(shù)據(jù)。
圖5：當(dāng)傳感器旋轉(zhuǎn)360°時的磁場讀數(shù)。
從圖中可以看出，霍爾效應(yīng)傳感器的噪聲要比永磁感應(yīng)傳感器大得多。這與器件參數(shù)規(guī)格一致，因為霍爾效應(yīng)傳感器的噪聲指標(biāo)為500nT，而永磁感應(yīng)傳感器噪聲指標(biāo)要低一個數(shù)量級，只有30nT.如圖6所示，對霍爾效應(yīng)傳感器來說，可以在多個方向觀察到2mT的磁場讀數(shù)，而2mT的讀數(shù)可以代表從5°到60°的任何航向。雖然超采樣可以減少這種不確定性，但這種非常明顯的傳感器噪聲差異確實會導(dǎo)致很大的測量不確定性。這種噪聲差異和相關(guān)測量的不確定性將顯著影響9軸傳感器融合算法的性能表現(xiàn)。
圖6：傳感器旋轉(zhuǎn)90°時的磁場讀數(shù)。
前面的圖3給出了隨時間變化的陀螺儀零偏，它代表了長期航向漂移的根本原因。在9軸傳感器融合系統(tǒng)中，加速度計和磁力傳感器建立了一個長期的基準(zhǔn)用于校正零偏變化。但磁力傳感器讀數(shù)中的噪聲以及磁力傳感器類型對零偏校正的效果有顯著的影響。圖7再次顯示了隨時間改變的零偏變化，但這次畫出了未校正的、用霍爾效應(yīng)傳感器校正的、用永磁感應(yīng)傳感器校正的和理想輸出的圖形。值得注意的是，所用的傳感器融合算法對兩種傳感器來說是相同的。
圖7：隨時間改變的陀螺儀零偏，包括校正和未校正的情況。
從圖7可以明顯看出，使用永磁感應(yīng)傳感器的9軸傳感器融合系統(tǒng)在盡量減小零偏變化方面做得比霍爾效應(yīng)傳感器要好。這種零偏漂移方面的改進(jìn)直接得益于永磁感應(yīng)傳感器低一個數(shù)量級的噪聲，因為霍爾效應(yīng)傳感器相對較高的噪聲將在傳感器融合算法中引入不確定性，進(jìn)而減弱算法控制零偏的能力。
永磁感應(yīng)傳感器可以更好地控制零偏漂移的能力將顯著改善隨時間變化的航向性能，如圖8所示。我們在這里可以看到，與未校正系統(tǒng)相比，使用霍爾效應(yīng)傳感器的傳感器融合系統(tǒng)的長期性能在8分鐘內(nèi)減少航向誤差的效果高出2倍。但使用永磁感應(yīng)傳感器的傳感器融合系統(tǒng)與未校正系統(tǒng)相比可以減少航向誤差一個數(shù)量級，比基于霍爾效應(yīng)磁力傳感器的系統(tǒng)好5倍。
圖8：隨時間改變的航向誤差。
本文小結(jié)
隨著使用永磁感應(yīng)式地磁傳感器代替霍爾效應(yīng)傳感器的9軸傳感系統(tǒng)的廣泛普及，精確定位移動所需的資源已經(jīng)就位。首先要理解精度和準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于目前的“移動接近”系統(tǒng)的運(yùn)動跟蹤世界可能性，然后才能明白這個世界中的增強(qiáng)現(xiàn)實將更具無限可行性、游戲玩起來更直觀、基于位置的應(yīng)用也將更具魯棒性。
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