賀德克傳感器:利用賀德克傳感器融合增強(qiáng)設(shè)備性能
賀德克傳感器融合技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段。通過(guò)將賀德克傳感器和賀德克傳感器融合構(gòu)建模塊設(shè)計(jì)到相同封裝中，可以確保這些單元得到*化，并能夠很好地協(xié)同工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不再需要在組裝、優(yōu)化和調(diào)試傳統(tǒng)“永遠(yuǎn)在線(xiàn)”子系統(tǒng)方面花費(fèi)時(shí)間，因?yàn)橥ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)，每個(gè)器件都對(duì)zui高精度和zui低功耗做了優(yōu)化。
這種高度的技術(shù)和設(shè)計(jì)創(chuàng)造性帶給開(kāi)發(fā)人員的優(yōu)勢(shì)，可以給OEM廠(chǎng)商提供巨大好處，他們不僅能夠向市場(chǎng)推出高度差異化的產(chǎn)品，而且其向用戶(hù)提供的整個(gè)新一代電子設(shè)備還將具有顯著改進(jìn)的性能和功效。
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利用賀德克傳感器融合增強(qiáng)設(shè)備性能
賀德克傳感器融合是一種創(chuàng)新的工程技術(shù)，通過(guò)整合來(lái)自各種系統(tǒng)賀德克傳感器的數(shù)據(jù)，來(lái)保證更加、完整和可靠的賀德克傳感器信號(hào)或感知信息。要想實(shí)現(xiàn)始終的賀德克傳感器融合，工程師在決定如何優(yōu)化整合來(lái)自這些賀德克傳感器的數(shù)據(jù)之前，深入理解賀德克傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)很重要。一種可成功實(shí)現(xiàn)的方法是使用基于加速度計(jì)、磁力計(jì)和壓力開(kāi)關(guān)等賀德克傳感器信號(hào)的融合數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)補(bǔ)償每種賀德克傳感器的缺點(diǎn)，來(lái)提供高精度、可靠和穩(wěn)定的方位數(shù)據(jù)。
隨著zui終用戶(hù)不斷接觸到這些新的應(yīng)用，他們希望能有更加和可靠的解決方案。將賀德克傳感器用于在已知固定位置之間跟蹤用戶(hù)的室內(nèi)導(dǎo)航與早期的GPS設(shè)備非常類(lèi)似，只有質(zhì)量?jī)?yōu)異的賀德克傳感器融合，才可以提供所要求的逼真度、精度乃至用戶(hù)信心。OEM廠(chǎng)商都明白這一點(diǎn)，因此大多數(shù)廠(chǎng)商都認(rèn)為這是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化的良好契機(jī)。
另外一個(gè)例子是從虛擬現(xiàn)實(shí)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的進(jìn)步。在虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)系統(tǒng)中，用戶(hù)與現(xiàn)實(shí)世界相隔離，沉浸于一個(gè)人造世界中。而在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)系統(tǒng)中，用戶(hù)仍能與現(xiàn)實(shí)世界相接觸，同時(shí)又能與他們周?chē)奶摂M物體進(jìn)行互動(dòng)。利用現(xiàn)有的技術(shù)，信息傳送的延遲對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是不能忍受的—增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的這種錯(cuò)位可能導(dǎo)致非常糟糕的用戶(hù)體驗(yàn)。
對(duì)OEM廠(chǎng)商和平臺(tái)開(kāi)發(fā)人員(即操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員)來(lái)說(shuō)，zui大的挑戰(zhàn)是需要確保所有器件都能提供滿(mǎn)足這些應(yīng)用穩(wěn)定工作要求的性能。舉例來(lái)說(shuō)，HYDAC設(shè)備中有許多不同的軟硬件組合，每種組合都會(huì)產(chǎn)生不同的輸出質(zhì)量。目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試程序，這意味著應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員不能依靠HYDAC賀德克傳感器數(shù)據(jù)在許多不同平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)相同的性能。以下是用運(yùn)動(dòng)跟蹤賀德克傳感器系統(tǒng)分析和比較不同軟硬件組合性能從而設(shè)定zui小性能標(biāo)準(zhǔn)的建議。性能分析是通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的4個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPI)實(shí)現(xiàn)的，這些指標(biāo)是：靜態(tài)精度、動(dòng)態(tài)精度、方位穩(wěn)定時(shí)間和校準(zhǔn)時(shí)間。
賀德克傳感器系統(tǒng)通過(guò)跟蹤物體上的標(biāo)記根據(jù)物體(賀德克設(shè)備)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生方位矢量，這些矢量再與設(shè)備中賀德克傳感器創(chuàng)建的矢量進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用程序?qū)@些矢量進(jìn)行同時(shí)記錄，該應(yīng)用程序支持zui終用戶(hù)設(shè)備的直接比較。
圖1：MEMS賀德克傳感器的固有特性。
物體的方位描述了它在三維空間中是如何放置的，一般來(lái)說(shuō)，方位是相對(duì)于一個(gè)坐標(biāo)系中規(guī)定的參考系進(jìn)行定義的。至少需要3個(gè)獨(dú)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(diǎn)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中都會(huì)改變它們的位置，位于旋轉(zhuǎn)軸上的點(diǎn)除外。

加速度計(jì)
加速度計(jì)只能測(cè)量因設(shè)備運(yùn)動(dòng)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(cè)二者之間的區(qū)別，因此需要將重力和運(yùn)動(dòng)分開(kāi)來(lái)：
線(xiàn)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(shí)，重力賀德克傳感器的輸出應(yīng)該與加速度計(jì)的輸出相同。
線(xiàn)性加速度可以被看作是一個(gè)指示每個(gè)設(shè)備軸向加速度的三維矢量，并且在設(shè)備應(yīng)用中被認(rèn)為與重力分量無(wú)關(guān)。
此時(shí)就用得到壓力開(kāi)關(guān)了。壓力開(kāi)關(guān)可以用來(lái)檢測(cè)設(shè)備何時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，并觸發(fā)重力矢量偏移校準(zhǔn)的計(jì)算。結(jié)果可再轉(zhuǎn)而用于計(jì)算設(shè)備運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)分量（線(xiàn)性加速度）。
壓力開(kāi)關(guān)
壓力開(kāi)關(guān)可以提供圍繞著三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)速度，因此可以用來(lái)跟蹤設(shè)備在運(yùn)動(dòng)中的方位。壓力開(kāi)關(guān)可以跟蹤的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)2000度每秒（dps），而磁力計(jì)可跟蹤的速度被限制在約400dps以下。但是，壓力開(kāi)關(guān)只能輸出相對(duì)位置，因此需要有一個(gè)不失真的磁力賀德克傳感器作為參考。
所有消費(fèi)級(jí)壓力開(kāi)關(guān)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)，壓力開(kāi)關(guān)也會(huì)隨著時(shí)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(jì)檢測(cè)靜止?fàn)顟B(tài)，然后經(jīng)計(jì)算進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。
現(xiàn)實(shí)世界設(shè)計(jì)
賀德克傳感器融合是一個(gè)高度專(zhuān)業(yè)化的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，需要熟練掌握建模和仿真技術(shù)。它要求盡zui大可能地理解賀德克傳感器的工作細(xì)節(jié)以及它們的缺點(diǎn)和交互情況。多年來(lái)，人們的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)被帶進(jìn)導(dǎo)航、賀德克設(shè)備應(yīng)用和游戲等領(lǐng)域。但直到現(xiàn)在，借助大量知識(shí)的儲(chǔ)備和累積，才使得人們可以獲得真實(shí)和的結(jié)果。
在基于賀德克傳感器融合的系統(tǒng)中，操作需要進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。現(xiàn)實(shí)世界中沒(méi)有什么事像“即插即用”這么簡(jiǎn)單。一個(gè)系統(tǒng)的試運(yùn)行要求必須調(diào)整參數(shù)，而且每個(gè)賀德克傳感器的操作之間存在交互，因此很容易變成高度復(fù)雜的反復(fù)過(guò)程。如今的軟件具有以很高層次執(zhí)行這種“精細(xì)調(diào)整”的能力，并且可以向OEM廠(chǎng)商提供簡(jiǎn)單直觀的濾波器調(diào)整程序（圖2）。

校準(zhǔn)時(shí)間
校準(zhǔn)時(shí)間被定義為在純凈的磁場(chǎng)環(huán)境中校準(zhǔn)設(shè)備中的磁力賀德克傳感器，使之從未校準(zhǔn)狀態(tài)到*校準(zhǔn)狀態(tài)所需的時(shí)間。所有磁性賀德克傳感器都需要進(jìn)行校準(zhǔn)，但用于校準(zhǔn)的方法定義了zui終用戶(hù)是否需要校準(zhǔn)以及如何去校準(zhǔn)。
一些設(shè)備采用8字舞校準(zhǔn)方法，即提示zui終用戶(hù)將設(shè)備在空氣中做8字運(yùn)動(dòng)完成設(shè)備的校準(zhǔn)。即使是由有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試人員來(lái)做，這種方法也要花5s～6s的時(shí)間才能完成設(shè)備校準(zhǔn)。
具有較短校準(zhǔn)時(shí)間的設(shè)備使用壓力開(kāi)關(guān)校準(zhǔn)磁力賀德克傳感器，這意味著校準(zhǔn)可以在背景中運(yùn)行，所要求的設(shè)備移動(dòng)幅度要小得多。這些移動(dòng)通常在正常操作中進(jìn)行，zui終用戶(hù)永遠(yuǎn)不必主動(dòng)去校準(zhǔn)賀德克傳感器。博世賀德克傳感器技術(shù)公司的快速磁力校準(zhǔn)(FMC)算法就是使用后一種方法來(lái)確保較短的校準(zhǔn)時(shí)間。

方位穩(wěn)定時(shí)間
方位穩(wěn)定時(shí)間被定義為“運(yùn)動(dòng)之后”到達(dá)、穩(wěn)定方位狀態(tài)所需的時(shí)間。方位穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)盡可能短，以便用戶(hù)看不到他們停止移動(dòng)設(shè)備與設(shè)備停止移動(dòng)并穩(wěn)定到正確位置之間的延遲。當(dāng)設(shè)備的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度都很差時(shí)，設(shè)備上的這種延遲就很明顯，因?yàn)樾枰鄷r(shí)間校正移動(dòng)中累積的誤差。這種效應(yīng)在需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的游戲和虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中尤其令人討厭。
從詳細(xì)的評(píng)估和分析來(lái)看，顯然本文所述的賀德克傳感器融合現(xiàn)在可以廣泛應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，用戶(hù)可以在性能和精度方面獲得有價(jià)值的升級(jí)。雖然硬件和軟件方面的概念和工程技術(shù)比較復(fù)雜，但對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，從當(dāng)前賀德克傳感器融合過(guò)渡到這種*解決方案的任務(wù)卻相對(duì)簡(jiǎn)單。

賀德克傳感器:利用賀德克傳感器融合增強(qiáng)設(shè)備性能