運動傳感設(shè)備無處不在，存在于我們?nèi)粘Ｊ褂玫亩喾N電子產(chǎn)品中。運動傳感器位于耳塞中——當(dāng)我們將它們從耳朵中取出時，會注意到輕擊以改變歌曲或暫停音樂。它們用于游戲和訓(xùn)練中使用的虛擬現(xiàn)實 (VR) 和增強現(xiàn)實 (AR) 耳機中的頭部跟蹤。運動傳感器支持游戲遙控器（用于定向）、消費級機器人（用于航向）和手機（也用于定向）。這些設(shè)備的傳感由慣性測量單元 (IMU) 供電。 IMU 傳感器存在于許多常用的消費電子產(chǎn)品中，如前面列出的那些。它們的能力是通過傳感器融合來解鎖的。在本文中，我們將探討什么是傳感器融合以及它可以做什么。
在我們討論傳感器融合之前，快速回顧一下慣性測量單元 (IMU) 似乎是相關(guān)的。IMU 是一種慣性傳感器，通常由加速度計和陀螺儀組成，有時還包括磁力計。通過查看這些傳感器的數(shù)據(jù)，設(shè)備能夠更完整地了解其方向和運動狀態(tài)。
? 加速度計測量單個方向的加速度（速度變化），就像您在汽車中踩油門時感受到的力一樣。靜止時，加速度計測量重力。
? 陀螺儀測量繞其三個軸的角速度。它在任何給定時刻輸出其旋轉(zhuǎn)偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)。
? 磁力計很簡單，可以測量磁場。通過在穩(wěn)定磁場中進行適當(dāng)?shù)男?，它可以檢測地球磁場的波動。通過這些波動，它找到了朝向地球磁北的矢量，從而給出了絕對航向。
然后，傳感器的信息用于保持無人機的平衡、改善家用機器人吸塵器的航向、改變智能手機屏幕的方向以及其他與運動相關(guān)的應(yīng)用程序。
現(xiàn)在我們了解了 IMU 的組成部分、它與傳感器融合有何關(guān)系以及我們?yōu)楹侮P(guān)心？嗯，傳感器本身并不那么“智能”。他們生成原始數(shù)據(jù)。但這些原始數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理和打包才能變得可操作。
IMU 中的傳感器類似于閱讀您的患者檔案的?？漆t(yī)生 - 他們都有自己的意見，并且他們的專業(yè)知識為他們提供了其他人沒有的見解，但由您來處理他們的意見以做出最終決定。例如，如果加速計表明重力正在從向下變?yōu)楦降慕嵌?，但陀螺儀顯示幾乎沒有運動，您相信哪一個？那么，在這種情況下，陀螺儀應(yīng)該更值得信賴，因為它不受外力的影響。由于陀螺儀告訴我們用戶坐標系沒有改變，因此可以肯定地說該設(shè)備正在持續(xù)加速，就像一輛直線行駛的汽車一樣。
在另一種情況下，如果陀螺儀顯示出較小且一致的角速度，但加速計和磁力計顯示設(shè)備處于靜止狀態(tài)，那么您可以相信兩位“醫(yī)生”的一致意見。然后您可以推斷出存在一些陀螺儀偏差，從而給出了錯誤的輸出。
這些示例旨在展示傳感器融合對于理解基于傳感器信息融合的最佳輸出至關(guān)重要。這可用于確定準確的運動、方向和航向信息。
與傳感器融合軟件結(jié)合使用時，IMU 不僅可用于更準確的運動、方向和航向，還可用于特殊功能。 IMU 數(shù)據(jù)的周到融合可以通過預(yù)測性頭部跟蹤來創(chuàng)建流暢的 XR 體驗，從而最大限度地減少延遲影響。對于無線演示或電視遙控器，傳感器融合可以直接將 3D 控制器運動轉(zhuǎn)換為屏幕上直觀的 2D 運動。加速度計和陀螺儀傳感器的組合還可以檢測復(fù)雜的空中形狀和手勢。在人類導(dǎo)航中，通過分析加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)，傳感器融合可以估計某人步行的方向和距離。
傳感器融合不一定要僅通過 IMU 來完成，但通常是從 IMU 開始的。在 XR 空間中，控制器方向與外部攝像頭線性位置的融合可以創(chuàng)建有效的由內(nèi)而外的 6 自由度系統(tǒng)。對于機器人導(dǎo)航，IMU 與光流和車輪編碼器數(shù)據(jù)的融合可創(chuàng)建準確且強大的航位推算。如果涉及運動，傳感器融合可能會有所幫助。
傳感器融合的另一部分是確保傳感器得到適當(dāng)校準，如 IMU 傳感器受到校準的強烈影響。傳感器表征是在受控條件下從傳感器進行測量的過程。這些測量結(jié)果可用于微調(diào)傳感器對各種溫度、操作模式和運動的反應(yīng)。一旦傳感器被正確表征，傳感器融合可以幫助確保其性能得到優(yōu)化。
為了正確表征傳感器，需要將統(tǒng)計上顯著數(shù)量的傳感器放置在某種允許通信以改變模式和記錄數(shù)據(jù)的板上。然后應(yīng)將該板放置在受控環(huán)境中。例如，它們可以安裝在兩軸萬向節(jié)電機上，使其能夠在所有三個運動軸上移動。通過將這個裝置放入溫度室內(nèi)，我們可以迭代不同溫度、位置和操作模式的排列。了解每個高精度電機如何運動、溫度變化以及運行模式后，我們可以獲得大量傳感器信息來表征傳感器。為了表征磁力計，可以將電路板放置在亥姆霍茲線圈中以產(chǎn)生受控磁場。
為了測試這些傳感器在其使用壽命內(nèi)的表現(xiàn)，傳感器還可以通過將其暴露在極端的高溫和潮濕條件下來進行人工老化過程。然后，可以使用老化的傳感器運行相同的測試來收集更新的數(shù)據(jù)。
可以使用所有這些綜合數(shù)據(jù)創(chuàng)建傳感器模型，從而形成典型（標稱）傳感器的模型，并隨后優(yōu)化其性能。
通過了解傳感器的行為方式，還可以調(diào)整加速度計和陀螺儀中的傳感器偏差。這些傳感器偏差與傳感器在靜止時看到的內(nèi)容有關(guān)。如果這聽起來很熟悉，那是因為這是 IMU/醫(yī)生類比部分中討論的第二個想法。對這些進行調(diào)整可能看起來就像偏移一樣簡單，但這些偏差可能會隨著溫度而變化，并且同一批次的同一傳感器會表現(xiàn)出不同的行為。這種偏差誤差非常顯著，超過了尺度誤差之外的大多數(shù)其他誤差。然而，通過適當(dāng)?shù)膫鞲衅魅诤纤惴?，可以在設(shè)備使用時動態(tài)地完成這種校準。
正確使用傳感器需要多層次的理解。需要了解基礎(chǔ)傳感器的工作原理、如何融合這些傳感器的數(shù)據(jù)以創(chuàng)建有意義的信息、如何根據(jù)應(yīng)用創(chuàng)建專門的功能以及傳感器特性以真正優(yōu)化性能。
? 3DM-CX5-IMU 高性能工業(yè)級慣性測量單元
? 3DM-CV5-IMU 嵌入式慣性測量單元
? 3DM-GX5-IMU 高性能慣性測量單元（IMU）
? Advanced Navigation Motus MEMS IMU 傳感器
