賀德克傳感器:利用賀德克傳感器融合增強設(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。通過將賀德克傳感器和賀德克傳感器融合構(gòu)建模塊設(shè)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(shè)計師不再需要在組裝、優(yōu)化和調(diào)試傳統(tǒng)“永遠(yuǎn)在線”子系統(tǒng)方面花費時間，因為通過設(shè)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(shù)和設(shè)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(shè)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(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(guān)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(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(rèn)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，zui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，HYDAC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(shè)定zui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。
賀德克傳感器系統(tǒng)通過跟蹤物體上的標(biāo)記根據(jù)物體(賀德克設(shè)備)的運動產(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zui終用戶設(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。

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，重力賀德克傳感器的輸出應(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，并且在設(shè)備應(yīng)用中被認(rèn)為與重力分量無關(guān)。
此時就用得到壓力開關(guān)了。壓力開關(guān)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）。
壓力開關(guān)
壓力開關(guān)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。壓力開關(guān)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(guān)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(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)，壓力開關(guān)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。
現(xiàn)實世界設(shè)計
賀德克傳感器融合是一個高度專業(yè)化的設(shè)計領(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)以及它們的缺點和交互情況。多年來，人們的關(guān)注點已經(jīng)被帶進導(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(xì)調(diào)整?，F(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(fù)雜的反復(fù)過程。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廠商提供簡單直觀的濾波器調(diào)整程序（圖2）。

校準(zhǔn)時間
校準(zhǔn)時間被定義為在純凈的磁場環(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)所需的時間。所有磁性賀德克傳感器都需要進行校準(zhǔn)，但用于校準(zhǔn)的方法定義了zui終用戶是否需要校準(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終用戶將設(shè)備在空氣中做8字運動完成設(shè)備的校準(zhǔn)。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(shè)備校準(zhǔn)。
具有較短校準(zhǔn)時間的設(shè)備使用壓力開關(guān)校準(zhǔn)磁力賀德克傳感器，這意味著校準(zhǔn)可以在背景中運行，所要求的設(shè)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(yuǎn)不必主動去校準(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確保較短的校準(zhǔn)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(yīng)盡可能短，以便用戶看不到他們停止移動設(shè)備與設(shè)備停止移動并穩(wěn)定到正確位置之間的延遲。當(dāng)設(shè)備的靜態(tài)和動態(tài)精度都很差時，設(shè)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(yīng)在需要實時響應(yīng)的游戲和虛擬/增強現(xiàn)實應(yīng)用中尤其令人討厭。
從詳細(xì)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(yīng)用于專業(yè)級和消費級市場?，F(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(shù)比較復(fù)雜，但對開發(fā)人員來說，從當(dāng)前賀德克傳感器融合過渡到這種*解決方案的任務(wù)卻相對簡單。

賀德克傳感器:利用賀德克傳感器融合增強設(shè)備性能