传感器数据融合:提升增强游戏、导航和虚拟现实用户体验的关键组件

2019-05-20 07:36:00 来源:EEFOCUS
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1.1  简介

无论是智能手机、可穿戴设备、虚拟现实耳机,还是机器人吸尘器,当今用户都期望并要求这些设备始终按照指令运行,并平稳、准确地适应不断变化的周围环境。这需要精确的感测俯仰、滚转和航向方向,而这些则是通过从设备内置的加速度计、陀螺仪和磁力计收集的数据融合实现的。
 
通常在现实世界中,事物永远不会像其看起来那么简单,例如,准确确定航向(观测)方向便是一项巨大挑战,因为磁力计测量受到附近多个物体的负面影响。这些干扰性磁场影响,通常称为硬铁和软铁扭曲,可能由位于设备本身内的各种元件和用户周围环境中的外部磁性物体引起。 
 
本文旨在深入洞察和理解在当今电子消费设备中获得可靠传感器数据所需的有效设计技术和软件解决方案,并提高用户对最终产品的满意度。本文将提供强大传感器数据融合技术的示例,例如基于在标准使用期间获得的陀螺仪信号,对估算磁力计偏移加以利用,及其对用户相关特征(例如行人和头部跟踪)的影响。
 
1.2  磁力挑战
您是否曾由于智能手机导航应用程序给出了错误的指示,而找错了环岛出口?使用虚拟现实耳机时,您是否经历过突然的眩晕?或者您的“智能”机器人吸尘器是否一再被卡在角落里?这些问题中的大多数,至少部分,是由不精确的惯性传感器数据融合导出的不正确航向信息所造成的。那么,为什么最先进的高精度传感器仍然会记录不准确的信息,并且产生如此大的偏差? 
 
在实验室外,所谓的地球恒定磁场的刚性磁线不断被各种物体修改,如门框、桌子、椅子和其他金属物品。基于其特定磁特性,这些物体通过称为硬铁和软铁扭曲的现象改变其周围的磁场。 
 
图1:罗盘误差的来源:外部磁场
 
诸如NdFeB、AlNiCo等硬磁材料(“硬铁”)引起高残余B场或“磁记忆”,而软磁材料(“软铁”)则通常是诸如铁(Fe)、镍(Ni)等材料及其合金。 
 
当磁力计用于设备中时,硬铁扭曲由产生磁场的物体造成,例如扬声器内的磁铁,由此导致传感器输出中称为“恒定偏移”的偏差,然后需要对其进行补偿。另一方面,软铁扭曲则是由“被动”影响或扭曲其周围磁场但自身不一定产生磁场的物体造成的,例如存储卡插槽、电池、无线天线、门窗框架和各种其他周围环境中的标准对象。这种类型的扭曲改变了磁球的实际形状,并且很大程度上取决于材料相对于传感器和磁场的定位。 
 
如图2所示,在典型的室内区域,由于一般物体引起的磁场扭曲,罗盘方向变化很大,即罗盘的红色“北”针指向各个方向。
 
图2:典型室内区域传感器读数(磁力计)的变化
 
因此,补偿硬铁和软铁扭曲对于获得有意义的磁力计读数至关重要。这种补偿需要在设备设计期间进行复杂的程序,并且在实际使用期间将结果结合到传感器的软件中,如下文中的进一步描述。
 
1.3  接受扭曲
以下系统方法可用于补偿影响磁力计读数的失真: 
 
  使用软铁矩阵在设计阶段进行补偿 
 
  通过标准“八字形动作”在使用中校准软件
 
  通过“自然使用动作”智能校准软件  
 
1.1  使用软铁矩阵在设计阶段进行补偿
来自位于终端设备(例如智能手机)内部部件的软铁扭曲是恒定的,因此可以通过使用一次性解决方案来补偿。这种补偿需要所谓的“软铁补偿矩阵”(SIC Matrix),对此,设计者在设备中具有更广泛的布局选项。这些补偿后传感器的读数具有明显更高的精度,与未补偿读数相比达±2°,其中误差范围可以轻松达到±10°。校准通过3D线圈系统(亥姆霍兹线圈)进行,该线圈系统由在同一轴上对中的两个螺线管电磁铁组成,可抵消这些干扰性外部磁场,以提供“清洁”的磁环境。带有惯性传感器的设备被放置在此清洁环境中,并接受测量,以创建磁力计的原始数据记录,然后将其输入数据驱动工具,生成SIC矩阵。之后,该SIC矩阵将合并至软件驱动器中,并永久补偿影响磁力计数据的设备内软铁扭曲。 
 
这种方法可以在实验室条件下估算软铁效应,当然,使用过程中的变化和附加设备的影响无法得到补偿。尽管如此,这依然是一种非常有效的设备内部件校准技术,强烈建议于设计阶段在传感器制造商专家的帮助下准确生成SIC矩阵并加以应用。
 
图3:3D(亥姆霍兹)线圈,用于设备内磁力计校准
 
遗憾的是,在通常情况下,当应用于实际PCB时,实验室校准结果无法准确工作,因为其中会生成被称为“禁区”的区域,使这些装置的准确性极度降低,以致完全无法使用。 
 
Bosch Sensortec的3D软铁补偿技术大大减少了这一“禁区”现象。例如,如果在距离NFC天线仅9mm处测量传感器数据失真,在补偿之前,最大航向误差为8°,而在补偿之后,所有海拔高度的最大误差仅为1.5°。
 
 
图4:没有软铁补偿的磁球
图5:有软铁补偿的磁球
 
1.2  通过“八字形动作”在使用中进行校准
此方法并非实验室密集型,但只需通过在已知的磁性清洁环境中移动设备(例如智能手机)便可收集大量有价值的数据。理想的动作是指沿最大定位范围测量磁性的运动,由此帮助估算所有情况下的磁偏差。因此,该技术通常使用覆盖所有三个轴向的八字形运动来执行。 
 
图6:令智能手机在3D空间中以八字形图案移动
 
该图案可描绘出由磁性扭曲而变形的磁球部分。从获得的坐标可以非常精确地估算磁球变形,以导出所需的校准系数。使用该方法估算的偏移将用于补偿来自外部环境的硬铁扭曲。 
 
图7:没有偏移补偿的传感器数据
 
图8:有偏移补偿的传感器数据
 
相当多的智能手机设备和操作系统制造商仍然依赖于这种八字形校准技术。出于校准目的,当今的智能手机经常提示最终用户使用地图应用程序在空间中进行八字形动作。但是,通过在3D空间中移动设备来创建此模式可能需要10秒以上,并且如果用户将其手机用于较为紧急的目的(例如玩动作游戏),或执行对安全性要求较高的任务(例如在汽车内使用智能手机导航),那么暂停游戏会让玩家十分扫兴,而将注意力从驾驶汽车转至校准设备则会造成安全风险。 
 
尽管如此,还是通常建议用户使用这种方法,因为它可以提供可靠的结果。但是,只有当用户实际上能够花时间重新校准设备,并且物理上允许通过在3D空间中以八字形移动设备时,此方法才适用。 
 
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