簡(jiǎn)介

無(wú)論是智能手機、可穿戴設備、虛擬現實(shí)耳機，還是機器人吸塵器，當今用戶(hù)都期望并要求這些設備始終按照指令運行，并平穩、準確地適應不斷變化的周?chē)h(huán)境。這需要精確的感測俯仰、滾轉和航向方向，而這些則是通過(guò)從設備內置的加速度計、陀螺儀和磁力計收集的數據融合實(shí)現的。

 

通常在現實(shí)世界中，事物永遠不會(huì )像其看起來(lái)那么簡(jiǎn)單，例如，準確確定航向（觀(guān)測）方向便是一項巨大挑戰，因為磁力計測量受到附近多個(gè)物體的負面影響。這些干擾性磁場(chǎng)影響，通常稱(chēng)為硬鐵和軟鐵扭曲，可能由位于設備本身內的各種元件和用戶(hù)周?chē)h(huán)境中的外部磁性物體引起。

 

本文旨在深入洞察和理解在當今電子消費設備中獲得可靠傳感器數據所需的有效設計技術(shù)和軟件解決方案，并提高用戶(hù)對最終產(chǎn)品的滿(mǎn)意度。本文將提供強大傳感器數據融合技術(shù)的示例，例如基于在標準使用期間獲得的陀螺儀信號，對估算磁力計偏移加以利用，及其對用戶(hù)相關(guān)特征（例如行人和頭部跟蹤）的影響。

 

磁力挑戰

您是否曾由于智能手機導航應用程序給出了錯誤的指示，而找錯了環(huán)島出口？使用虛擬現實(shí)耳機時(shí)，您是否經(jīng)歷過(guò)突然的眩暈？或者您的“智能”機器人吸塵器是否一再被卡在角落里？這些問(wèn)題中的大多數，至少部分，是由不精確的慣性傳感器數據融合導出的不正確航向信息所造成的。那么，為什么最先進(jìn)的高精度傳感器仍然會(huì )記錄不準確的信息，并且產(chǎn)生如此大的偏差？

 

在實(shí)驗室外，所謂的地球恒定磁場(chǎng)的剛性磁線(xiàn)不斷被各種物體修改，如門(mén)框、桌子、椅子和其他金屬物品?；谄涮囟ù盘匦?，這些物體通過(guò)稱(chēng)為硬鐵和軟鐵扭曲的現象改變其周?chē)拇艌?chǎng)。
 

 

圖1：羅盤(pán)誤差的來(lái)源：外部磁場(chǎng)

 

諸如NdFeB、AlNiCo等硬磁材料（“硬鐵”）引起高殘余B場(chǎng)或“磁記憶”，而軟磁材料（“軟鐵”）則通常是諸如鐵（Fe）、鎳（Ni）等材料及其合金。 

 

當磁力計用于設備中時(shí)，硬鐵扭曲由產(chǎn)生磁場(chǎng)的物體造成，例如揚聲器內的磁鐵，由此導致傳感器輸出中稱(chēng)為“恒定偏移”的偏差，然后需要對其進(jìn)行補償。另一方面，軟鐵扭曲則是由“被動(dòng)”影響或扭曲其周?chē)艌?chǎng)但自身不一定產(chǎn)生磁場(chǎng)的物體造成的，例如存儲卡插槽、電池、無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)、門(mén)窗框架和各種其他周?chē)h(huán)境中的標準對象。這種類(lèi)型的扭曲改變了磁球的實(shí)際形狀，并且很大程度上取決于材料相對于傳感器和磁場(chǎng)的定位。 

 

如圖2所示，在典型的室內區域，由于一般物體引起的磁場(chǎng)扭曲，羅盤(pán)方向變化很大，即羅盤(pán)的紅色“北”針指向各個(gè)方向。

 

圖2：典型室內區域傳感器讀數（磁力計）的變化

 

因此，補償硬鐵和軟鐵扭曲對于獲得有意義的磁力計讀數至關(guān)重要。這種補償需要在設備設計期間進(jìn)行復雜的程序，并且在實(shí)際使用期間將結果結合到傳感器的軟件中，如下文中的進(jìn)一步描述。

 

接受扭曲

以下系統方法可用于補償影響磁力計讀數的失真： 

•使用軟鐵矩陣在設計階段進(jìn)行補償 

•通過(guò)標準“八字形動(dòng)作”在使用中校準軟件

•通過(guò)“自然使用動(dòng)作”智能校準軟件

 

使用軟鐵矩陣在設計階段進(jìn)行補償

來(lái)自位于終端設備（例如智能手機）內部部件的軟鐵扭曲是恒定的，因此可以通過(guò)使用一次性解決方案來(lái)補償。這種補償需要所謂的“軟鐵補償矩陣”（SIC Matrix），對此，設計者在設備中具有更廣泛的布局選項。這些補償后傳感器的讀數具有明顯更高的精度，與未補償讀數相比達±2°，其中誤差范圍可以輕松達到±10°。校準通過(guò)3D線(xiàn)圈系統（亥姆霍茲線(xiàn)圈）進(jìn)行，該線(xiàn)圈系統由在同一軸上對中的兩個(gè)螺線(xiàn)管電磁鐵組成，可抵消這些干擾性外部磁場(chǎng)，以提供“清潔”的磁環(huán)境。帶有慣性傳感器的設備被放置在此清潔環(huán)境中，并接受測量，以創(chuàng )建磁力計的原始數據記錄，然后將其輸入數據驅動(dòng)工具，生成SIC矩陣。之后，該SIC矩陣將合并至軟件驅動(dòng)器中，并永久補償影響磁力計數據的設備內軟鐵扭曲。

 

這種方法可以在實(shí)驗室條件下估算軟鐵效應，當然，使用過(guò)程中的變化和附加設備的影響無(wú)法得到補償。盡管如此，這依然是一種非常有效的設備內部件校準技術(shù)，強烈建議于設計階段在傳感器制造商專(zhuān)家的幫助下準確生成SIC矩陣并加以應用。

 

圖3：3D（亥姆霍茲）線(xiàn)圈，用于設備內磁力計校準

 

遺憾的是，在通常情況下，當應用于實(shí)際PCB時(shí)，實(shí)驗室校準結果無(wú)法準確工作，因為其中會(huì )生成被稱(chēng)為“禁區”的區域，使這些裝置的準確性極度降低，以致完全無(wú)法使用。

 

Bosch Sensortec的3D軟鐵補償技術(shù)大大減少了這一“禁區”現象。例如，如果在距離NFC天線(xiàn)僅9mm處測量傳感器數據失真，在補償之前，最大航向誤差為8°，而在補償之后，所有海拔高度的最大誤差僅為1.5°。

 

圖4：沒(méi)有軟鐵補償的磁球
 

圖5：有軟鐵補償的磁球

 

通過(guò)“八字形動(dòng)作”在使用中進(jìn)行校準

此方法并非實(shí)驗室密集型，但只需通過(guò)在已知的磁性清潔環(huán)境中移動(dòng)設備（例如智能手機）便可收集大量有價(jià)值的數據。理想的動(dòng)作是指沿最大定位范圍測量磁性的運動(dòng)，由此幫助估算所有情況下的磁偏差。因此，該技術(shù)通常使用覆蓋所有三個(gè)軸向的八字形運動(dòng)來(lái)執行。 

 

圖6：令智能手機在3D空間中以八字形圖案移動(dòng)

 

該圖案可描繪出由磁性扭曲而變形的磁球部分。從獲得的坐標可以非常精確地估算磁球變形，以導出所需的校準系數。使用該方法估算的偏移將用于補償來(lái)自外部環(huán)境的硬鐵扭曲。 

 

圖7：沒(méi)有偏移補償的傳感器數據

 

圖8：有偏移補償的傳感器數據

 

相當多的智能手機設備和操作系統制造商仍然依賴(lài)于這種八字形校準技術(shù)。出于校準目的，當今的智能手機經(jīng)常提示最終用戶(hù)使用地圖應用程序在空間中進(jìn)行八字形動(dòng)作。但是，通過(guò)在3D空間中移動(dòng)設備來(lái)創(chuàng )建此模式可能需要10秒以上，并且如果用戶(hù)將其手機用于較為緊急的目的（例如玩動(dòng)作游戲），或執行對安全性要求較高的任務(wù)（例如在汽車(chē)內使用智能手機導航），那么暫停游戲會(huì )讓玩家十分掃興，而將注意力從駕駛汽車(chē)轉至校準設備則會(huì )造成安全風(fēng)險。 

 

盡管如此，還是通常建議用戶(hù)使用這種方法，因為它可以提供可靠的結果。但是，只有當用戶(hù)實(shí)際上能夠花時(shí)間重新校準設備，并且物理上允許通過(guò)在3D空間中以八字形移動(dòng)設備時(shí)，此方法才適用。

 

通過(guò)“自然使用動(dòng)作”進(jìn)行智能校準

盡管八字形動(dòng)作非常適合智能手機，但在物理上也許并不可行，并且可能對其他類(lèi)型的設備來(lái)說(shuō)，執行起來(lái)會(huì )比較困難或奇怪，例如腕部可穿戴設備、增強/虛擬現實(shí)耳機、入耳式可穿戴設備和機器人吸塵機。

 

磁力計校準背后的基本理念在于通過(guò)估算磁球與地球磁場(chǎng)矢量的偏差作為半徑來(lái)估算磁力計的偏移。為了降低校準所需的時(shí)間并以更小、更自然的運動(dòng)校準設備，可使用陀螺儀信號輔助磁場(chǎng)傳感器的校準。 

 

校正后的陀螺儀信號相對于最后磁場(chǎng)值定義其旋轉。一旦確定了新的磁場(chǎng)值，便會(huì )將其饋入擴展卡爾曼濾波器（EKF）。EKF估計磁力計偏移和磁場(chǎng)矢量的大?。ò霃剑?。磁強計干擾檢測基于卡爾曼濾波器的殘差。 

 

由于這些快速傳統型磁力計校準器利用陀螺儀數據，因此在重新校準過(guò)程中被校準的設備必須處于靜止狀態(tài)，即陀螺儀本身在校準期間不會(huì )漂移。然而，對于較新的“體戴式”裝置而言，這并不可行，因為這些時(shí)刻、并且是在較長(cháng)的時(shí)間段內處于使用和運動(dòng)中。

 

定義了這個(gè)問(wèn)題后，Bosch Sensortec專(zhuān)注于通過(guò)開(kāi)發(fā)“自然使用型”快速磁力計校準軟件來(lái)迎接挑戰。該軟件針對每種不同類(lèi)型設備的典型用途獲得配置，即使這些處于恒定運動(dòng)中。其目標在于確保即使用戶(hù)不必做出任何特定、有意的動(dòng)作，設備中的慣性傳感器也可以自動(dòng)且準確地校準，以實(shí)現在變化環(huán)境中的使用。

 

以下將介紹可穿戴設備、控制器和耳機的幾個(gè)示例：

腕部可穿戴設備

對于佩戴腕表或健身追蹤器的人來(lái)說(shuō)，經(jīng)常瀏覽設備、查看計算的步數或燃燒的卡路里、閱讀消息通知，或只是查看時(shí)間再自然不過(guò)了。由于大多數用戶(hù)不知道自己位于會(huì )影響其磁力計的材料附近，或者甚至在其設備中安裝了磁力計，因此設備需要在不知情的情況下在后臺執行校準。此外，如果用戶(hù)必須在空中揮手以校準“智能腕表”，看起來(lái)會(huì )很奇怪。因此，Bosch Sensortec磁力計校準器可在后臺靜音工作，無(wú)論何時(shí)用戶(hù)查看手腕，都可以補償磁力計偏移。

統計學(xué)已經(jīng)證明，只需做出兩三個(gè)“查看”設備的動(dòng)作，這種用于可穿戴設備的快速磁力計校準器便可估算出偏移，而且以典型且較低的數據速率運行。

 

圖9：腕部可穿戴設備中航向誤差的系統消除

 

該校準程序對室內和室外導航應用都很有效。例如，使用九軸慣性傳感器估算用戶(hù)位置和步行軌跡的PDR（行人航位推算）應用程序在激活校準器時(shí)具有相當高的精度。下面的例子清楚地表明，雖然兩個(gè)軌跡估算都是從0.0開(kāi)始，但在約為2x200m的短行走距離中未校準設備的累積航向誤差導致的位置誤差超過(guò)43％。

 

圖10：沒(méi)有磁力計重新校準的PDR軌跡

 

圖11：有磁力計重新校準的PDR軌跡

 

虛擬和增強現實(shí)耳機

與此類(lèi)似，現實(shí)中無(wú)法要求虛擬現實(shí)耳機的用戶(hù)經(jīng)常以八字形運動(dòng)移動(dòng)其頭部，尤其是佩戴耳機時(shí)。特別是對于耳機，由于大腦會(huì )記錄用戶(hù)實(shí)際運動(dòng)和在屏幕上看到的視覺(jué)圖像之間的對準偏差，即使相對較小的航向和水平傾斜偏差也可能導致非常不愉快的眩暈癥狀。

 

Bosch Sensortec的耳機磁力計校準器校準磁力計，同時(shí)用戶(hù)可自然地將頭部繞頸部軸線(xiàn)移動(dòng)。校準的積極效果已明顯地在頭部跟蹤算法和多個(gè)AR/VR子使用案例中的關(guān)鍵性能定位結果中得到證明。

 

圖12：AR/VR耳機——帶磁力計校準的動(dòng)態(tài)運動(dòng)

 

游戲控制板，VR/TV遙控器

隨著(zhù)定向傳感器滲透到越來(lái)越多的電視遙控器中，以及VR遙控器和游戲控制板向應用程序開(kāi)發(fā)者提供越來(lái)越復雜的服務(wù)，收集準確可靠的航向數據并使真北與內容顯示設備彼此協(xié)調變得至關(guān)重要。這一問(wèn)題尤其體現在，當用戶(hù)手持控制裝置時(shí)，盡管他們的手靜止，但依然看到光標在前進(jìn)中漂移，或光標朝著(zhù)與其實(shí)際手部動(dòng)作不同的方向移動(dòng)。

 

同樣，Bosch Sensortec的磁力計校準器考慮到遙控器或游戲控制板的自然運動(dòng)，并大大減少了航向偏差，如下面的實(shí)際數據所示。

 

圖13：游戲控制板/VR遙控精度與磁力計校準

 

綜述

3D線(xiàn)圈和數據驅動(dòng)工具的組合可用于創(chuàng )建和利用SIC矩陣，此外，通過(guò)借助用戶(hù)界面通知用戶(hù)進(jìn)行八字形動(dòng)作，和集成自然使用型快速磁力計校準器軟件，九軸傳感器數據融合的可靠性如今獲得大幅提升。這一點(diǎn)非常重要，因為磁力計精度和傳感器數據融合是智能手機、可穿戴設備、AR/VR耳機和控制單元，甚至機器人真空吸塵器等各種設備的重要組成部分。

 

Bosch Sensortec的3D軟鐵補償將“禁區”減少了70％，為設計師和布局工程師提供了更大的靈活性和準確性保證，并顯著(zhù)降低了對產(chǎn)品再原型設計的需求。

 

此外，使用中校準以及智能校準技術(shù)通過(guò)降低現代環(huán)境中普遍存在的硬鐵扭曲，大大提高了航向精度。雖然使用中校準依賴(lài)于用戶(hù)在三維空間中進(jìn)行八字形動(dòng)作，但Bosch Sensortec開(kāi)發(fā)的智能校準器可以巧妙地融合設備自然使用期間收集的傳感器數據，以實(shí)現相同的結果。例如，對于智能腕表等可穿戴設備，軟件通過(guò)傳感器數據融合提高了行人跟蹤的可靠性。與此類(lèi)似，通過(guò)分析耳機用戶(hù)的各種典型動(dòng)作，例如躲避、低頭和彎腰、跳躍和坐下等，Bosch Sensortec比市面上其他類(lèi)似的傳統型解決方案實(shí)現了更高的傳感器數據融合精度。

 

雖然航向精度的提高只是傳感器數據融合如何改善最終用戶(hù)體驗的一個(gè)例子，但Bosch Sensortec的傳感器數據融合軟件中還包含其他多種算法，可以幫助設備制造商令自己的設備脫穎而出，并大大改善終端用戶(hù)體驗。