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賀德克傳感器:利用賀德克傳感器融合增強設備性能
點擊次數(shù)：461 發(fā)布時間：2016-9-30
賀德克傳感器:利用賀德克傳感器融合增強設備性能
賀德克傳感器融合技術現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到相當成熟的階段。通過將賀德克傳感器和賀德克傳感器融合構(gòu)建模塊設計到相同封裝中，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)設計師不再需要在組裝、優(yōu)化和調(diào)試傳統(tǒng)“永遠在線”子系統(tǒng)方面花費時間，因為通過設計，每個器件都對zui高精度和zui低功耗做了優(yōu)化。
這種高度的技術和設計創(chuàng)造性帶給開發(fā)人員的優(yōu)勢，可以給OEM廠商提供巨大好處，他們不僅能夠向市場推出高度差異化的產(chǎn)品，而且其向用戶提供的整個新一代電子設備還將具有顯著改進的性能和功效。
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利用賀德克傳感器融合增強設備性能
賀德克傳感器融合是一種創(chuàng)新的工程技術，通過整合來自各種系統(tǒng)賀德克傳感器的數(shù)據(jù)，來保證更加、完整和可靠的賀德克傳感器信號或感知信息。要想實現(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、磁力計和壓力開關等賀德克傳感器信號的融合數(shù)據(jù)庫，并通過補償每種賀德克傳感器的缺點，來提供高精度、可靠和穩(wěn)定的方位數(shù)據(jù)。
隨著zui終用戶不斷接觸到這些新的應用，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的室內(nèi)導航與早期的GPS設備非常類似，只有質(zhì)量優(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，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，zui大的挑戰(zhàn)是需要確保所有器件都能提供滿足這些應用穩(wěn)定工作要求的性能。舉例來說，HYDAC設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。目前沒有標準的測試程序，這意味著應用開發(fā)人員不能依靠HYDAC賀德克傳感器數(shù)據(jù)在許多不同平臺上實現(xiàn)相同的性能。以下是用運動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定zui小性能標準的建議。性能分析是通過測量系統(tǒng)的4個關鍵性能指標(KPI)實現(xiàn)的，這些指標是：靜態(tài)精度、動態(tài)精度、方位穩(wěn)定時間和校準時間。
賀德克傳感器系統(tǒng)通過跟蹤物體上的標記根據(jù)物體(賀德克設備)的運動產(chǎn)生方位矢量，這些矢量再與設備中賀德克傳感器創(chuàng)建的矢量進行比較。數(shù)據(jù)記錄應用程序?qū)@些矢量進行同時記錄，該應用程序支持zui終用戶設備的直接比較。
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，一般來說，方位是相對于一個坐標系中規(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。
加速度計
加速度計只能測量因設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。當設備處于靜止狀態(tài)時，重力賀德克傳感器的輸出應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備軸向加速度的三維矢量，并且在設備應用中被認為與重力分量無關。
此時就用得到壓力開關了。壓力開關可以用來檢測設備何時處于靜止狀態(tài)，并觸發(fā)重力矢量偏移校準的計算。結(jié)果可再轉(zhuǎn)而用于計算設備運動過程中的動態(tài)分量（線性加速度）。
壓力開關
壓力開關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備在運動中的方位。壓力開關可以跟蹤的旋轉(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，壓力開關只能輸出相對位置，因此需要有一個不失真的磁力賀德克傳感器作為參考。
所有消費級壓力開關都存在固有的漂移誤差，因此即使設備處于穩(wěn)定狀態(tài)，壓力開關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狀態(tài)，然后經(jīng)計算進行適當?shù)难a償。
現(xiàn)實世界設計
賀德克傳感器融合是一個高度專業(yè)化的設計領域，需要熟練掌握建模和仿真技術。它要求盡zui大可能地理解賀德克傳感器的工作細節(jié)以及它們的缺點和交互情況。多年來，人們的關注點已經(jīng)被帶進導航、賀德克設備應用和游戲等領域。但直到現(xiàn)在，借助大量知識的儲備和累積，才使得人們可以獲得真實和的結(jié)果。
在基于賀德克傳感器融合的系統(tǒng)中，操作需要進行精細調(diào)整。現(xiàn)實世界中沒有什么事像“即插即用”這么簡單。一個系統(tǒng)的試運行要求必須調(diào)整參數(shù)，而且每個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雜的反復過程。如今的軟件具有以很高層次執(zhí)行這種“精細調(diào)整”的能力，并且可以向OEM廠商提供簡單直觀的濾波器調(diào)整程序（圖2）。
校準時間
校準時間被定義為在純凈的磁場環(huán)境中校準設備中的磁力賀德克傳感器，使之從未校準狀態(tài)到*校準狀態(tài)所需的時間。所有磁性賀德克傳感器都需要進行校準，但用于校準的方法定義了zui終用戶是否需要校準以及如何去校準。
一些設備采用8字舞校準方法，即提示zui終用戶將設備在空氣中做8字運動完成設備的校準。即使是由有經(jīng)驗的測試人員來做，這種方法也要花5s～6s的時間才能完成設備校準。
具有較短校準時間的設備使用壓力開關校準磁力賀德克傳感器，這意味著校準可以在背景中運行，所要求的設備移動幅度要小得多。這些移動通常在正常操作中進行，zui終用戶永遠不必主動去校準賀德克傳感器。博世賀德克傳感器技術公司的快速磁力校準(FMC)算法就是使用后一種方法來確保較短的校準時間。
方位穩(wěn)定時間
方位穩(wěn)定時間被定義為“運動之后”到達、穩(wěn)定方位狀態(tài)所需的時間。方位穩(wěn)定時間應盡可能短，以便用戶看不到他們停止移動設備與設備停止移動并穩(wěn)定到正確位置之間的延遲。當設備的靜態(tài)和動態(tài)精度都很差時，設備上的這種延遲就很明顯，因為需要更多時間校正移動中累積的誤差。這種效應在需要實時響應的游戲和虛擬/增強現(xiàn)實應用中尤其令人討厭。
從詳細的評估和分析來看，顯然本文所述的賀德克傳感器融合現(xiàn)在可以廣泛應用于專業(yè)級和消費級市場。現(xiàn)場試驗表明，用戶可以在性能和精度方面獲得有價值的升級。雖然硬件和軟件方面的概念和工程技術比較復雜，但對開發(fā)人員來說，從當前賀德克傳感器融合過渡到這種*解決方案的任務卻相對簡單。
賀德克傳感器:利用賀德克傳感器融合增強設備性能