隨著智能手機等功能強大的智能設(shè)備不斷進步，新的應(yīng)用層出不窮，系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)常跟不上不斷變化的新要求。如今，諸如室內(nèi)導(dǎo)航和增強現(xiàn)實等使用運動或位置數(shù)據(jù)的新應(yīng)用，都要求用戶接受原本是為簡單游戲應(yīng)用開發(fā)的、不太完美的傳感器融合。但是，最終用戶很容易發(fā)現(xiàn)這些實現(xiàn)具有相當(dāng)多的缺點，并且精度很低。
傳感器融合是一種創(chuàng)新的工程技術(shù)，通過整合來自各種系統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù)，來保證更加精確、完整和可靠的傳感器信號或感知信息。要想實現(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)缺點很重要。一種可成功實現(xiàn)的方法是使用基于加速度計、磁力計和陀螺儀等傳感器信號的融合數(shù)據(jù)庫，并通過補償每種傳感器的缺點，來提供高精度、可靠和穩(wěn)定的方位數(shù)據(jù)。
隨著最終用戶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的室內(nèi)導(dǎo)航與早期的GPS設(shè)備非常類似，只有質(zhì)量優(yōu)異的傳感器融合，才可以提供所要求的逼真度、精度乃至用戶信心。OEM廠商都明白這一點，因此大多數(shù)廠商都認為這是實現(xiàn)產(chǎn)品差異化的良好契機。
另外一個例子是從虛擬現(xiàn)實到增強現(xiàn)實的進步。在虛擬現(xiàn)實(VR)系統(tǒng)中，用戶與現(xiàn)實世界相隔離，沉浸于一個人造世界中。而在增強現(xiàn)實(AR)系統(tǒng)中，用戶仍能與現(xiàn)實世界相接觸，同時又能與他們周圍的虛擬物體進行互動。利用現(xiàn)有的技術(shù)，信息傳送的延遲對用戶來說是不能忍受的-增強現(xiàn)實中的這種錯位可能導(dǎo)致非常糟糕的用戶體驗。
對OEM廠商和平臺開發(fā)人員(即操作系統(tǒng)開發(fā)人員)來說，最大的挑戰(zhàn)是需要確保所有器件都能提供滿足這些應(yīng)用穩(wěn)定工作要求的性能。舉例來說，安卓設(shè)備中有許多不同的軟硬件組合，每種組合都會產(chǎn)生不同的輸出質(zhì)量。目前沒有標(biāo)準(zhǔn)的測試程序，這意味著應(yīng)用開發(fā)人員不能依靠安卓傳感器數(shù)據(jù)在許多不同平臺上實現(xiàn)相同的性能。以下是用運動跟蹤攝像頭系統(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。性能分析是通過測量系統(tǒng)的4個關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPI)實現(xiàn)的，這些指標(biāo)是：靜態(tài)精度、動態(tài)精度、方位穩(wěn)定時間和校準(zhǔn)時間。
攝像頭系統(tǒng)通過跟蹤物體上的標(biāo)記根據(jù)物體(智能手機)的運動產(chǎn)生方位矢量，這些矢量再與手機中傳感器創(chuàng)建的矢量進行比較。數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用程序?qū)@些矢量進行同時記錄，該應(yīng)用程序支持最終用戶設(shè)備的直接比較。
本文將介紹智能手機環(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上執(zhí)行的、包括性能結(jié)果測量在內(nèi)的一種測試方法。
文章所描述的融合庫使用加速度計、磁力計和陀螺儀傳感器信號補償彼此的缺點，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，以及它們是如何補償彼此缺點的(圖1)。
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，一般來說，方位是相對于一個坐標(biāo)系中規(guī)定的參考系進行定義的。至少需要3個獨立的值作為三維矢量的一部分，用于描述真正的方位。物體的所有點在旋轉(zhuǎn)過程中都會改變它們的位置，位于旋轉(zhuǎn)軸上的點除外。
磁力計
磁力計對干擾性的本地磁場和畸變高度敏感，它們?nèi)菀自斐捎嬎愕玫降拇藕较虺霈F(xiàn)錯誤。陀螺儀可以用來在沒有旋轉(zhuǎn)記錄的情況下檢測這種干擾和航向變化。傳感器融合隨后通過給陀螺儀數(shù)據(jù)提供比磁力計數(shù)據(jù)更多的權(quán)重，就可以精確地進行補償。
地球磁場的水平分量用于計算磁航向，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。當(dāng)設(shè)備不處于水平位置時，即傾斜角不是零時，航向計算將不正確。因此在利用加速度計，通過旋轉(zhuǎn)XY平面對方位進行計算之前，確保這些傾斜角得到補償很重要。
加速度計
加速度計只能測量因設(shè)備運動引起的加速度和因重力引起的加速度在內(nèi)的總加速度值，而不能檢測二者之間的區(qū)別，因此需要將重力和運動分開來：
線性加速度＝加速度－重力加速度
可以將重力矢量想象為一種指示重力方向和幅度的三維矢量。當(dāng)設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)時，重力傳感器的輸出應(yīng)該與加速度計的輸出相同。
線性加速度可以被看作是一個指示每個設(shè)備軸向加速度的三維矢量，并且在手機應(yīng)用中被認為與重力分量無關(guān)。
此時就用得到陀螺儀了。陀螺儀可以用來檢測設(shè)備何時處于靜止?fàn)顟B(tài)，并觸發(fā)重力矢量偏移校準(zhǔn)的計算。結(jié)果可再轉(zhuǎn)而用于計算設(shè)備運動過程中的動態(tài)分量(線性加速度)。
陀螺儀
陀螺儀可以提供圍繞著三個軸的旋轉(zhuǎn)速度，因此可以用來跟蹤設(shè)備在運動中的方位。陀螺儀可以跟蹤的旋轉(zhuǎn)速度高達2000度每秒(dps)，而磁力計可跟蹤的速度被限制在約400dps以下。但是，陀螺儀只能輸出相對位置，因此需要有一個不失真的磁力傳感器作為參考。
所有消費級陀螺儀都存在固有的漂移誤差，因此即使設(shè)備處于穩(wěn)定狀態(tài)，陀螺儀也會隨著時間和溫度的變化發(fā)生一定程度的旋轉(zhuǎn)。為了糾正這些誤差，可以用高穩(wěn)定性的加速度計檢測靜止?fàn)顟B(tài)，然后經(jīng)計算進行適當(dāng)?shù)难a償。
