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(shù)現在已經(jīng)發(fā)展到相當成熟的階段。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。系統設計師不再需要在組裝、優(yōu)化和調試傳統“永遠在線(xiàn)”子系統方面花費時(shí)間，因為通過(guò)設計，每個(gè)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)和設計創(chuàng )造性帶給開(kāi)發(fā)人員的優(yōu)勢，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)新一代電子設備還將具有顯著(zhù)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設備性能
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)自各種系統賀德克傳感器的數據，來(lái)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(shí)現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據之前，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)現的方法是使用基于加速度計、磁力計和壓力開(kāi)關(guān)等賀德克傳感器信號的融合數據庫，并通過(guò)補償每種賀德克傳感器的缺點(diǎn)，來(lái)提供高精度、可靠和穩定的方位數據。
隨著(zhù)zui終用戶(hù)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(hù)的室內導航與早期的GPS設備非常類(lèi)似，只有質(zhì)量?jì)?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)，因此大多數廠(chǎng)商都認為這是實(shí)現產(chǎn)品差異化的良好契機。
另外一個(gè)例子是從虛擬現實(shí)到增強現實(shí)的進(jìn)步。在虛擬現實(shí)(VR)系統中，用戶(hù)與現實(shí)世界相隔離，沉浸于一個(gè)人造世界中。而在增強現實(shí)(AR)系統中，用戶(hù)仍能與現實(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)。利用現有的技術(shù)，信息傳送的延遲對用戶(hù)來(lái)說(shuō)是不能忍受的—增強現實(shí)中的這種錯位可能導致非常糟糕的用戶(hù)體驗。
對OEM廠(chǎng)商和平臺開(kāi)發(fā)人員(即操作系統開(kāi)發(fā)人員)來(lái)說(shuō)，zui大的挑戰是需要確保所有器件都能提供滿(mǎn)足這些應用穩定工作要求的性能。舉例來(lái)說(shuō)，HYDAC設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)有標準的測試程序，這意味著(zhù)應用開(kāi)發(fā)人員不能依靠HYDAC賀德克傳感器數據在許多不同平臺上實(shí)現相同的性能。以下是用運動(dòng)跟蹤賀德克傳感器系統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(guò)測量系統的4個(gè)關(guān)鍵性能指標(KPI)實(shí)現的，這些指標是：靜態(tài)精度、動(dòng)態(tài)精度、方位穩定時(shí)間和校準時(shí)間。
賀德克傳感器系統通過(guò)跟蹤物體上的標記根據物體(賀德克設備)的運動(dòng)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(jìn)行比較。數據記錄應用程序對這些矢量進(jìn)行同時(shí)記錄，該應用程序支持zui終用戶(hù)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(lái)說(shuō)，方位是相對于一個(gè)坐標系中規定的參考系進(jìn)行定義的。至少需要3個(gè)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(diǎn)在旋轉過(guò)程中都會(huì )改變它們的位置，位于旋轉軸上的點(diǎn)除外。

加速度計
加速度計只能測量因設備運動(dòng)引起的加速度和因重力引起的加速度在內的總加速度值，而不能檢測二者之間的區別，因此需要將重力和運動(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。當設備處于靜止狀態(tài)時(shí)，重力賀德克傳感器的輸出應該與加速度計的輸出相同。
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(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)檢測設備何時(shí)處于靜止狀態(tài)，并觸發(fā)重力矢量偏移校準的計算。結果可再轉而用于計算設備運動(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(zhù)三個(gè)軸的旋轉速度，因此可以用來(lái)跟蹤設備在運動(dòng)中的方位。壓力開(kāi)關(guān)可以跟蹤的旋轉速度高達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(kāi)關(guān)只能輸出相對位置，因此需要有一個(gè)不失真的磁力賀德克傳感器作為參考。
所有消費級壓力開(kāi)關(guān)都存在固有的漂移誤差，因此即使設備處于穩定狀態(tài)，壓力開(kāi)關(guān)也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間和溫度的變化發(fā)生一定程度的旋轉。為了糾正這些誤差，可以用高穩定性的加速度計檢測靜止狀態(tài)，然后經(jīng)計算進(jìn)行適當的補償。
現實(shí)世界設計
賀德克傳感器融合是一個(gè)高度專(zhuān)業(yè)化的設計領(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節以及它們的缺點(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)導航、賀德克設備應用和游戲等領(lǐng)域。但直到現在，借助大量知識的儲備和累積，才使得人們可以獲得真實(shí)和的結果。
在基于賀德克傳感器融合的系統中，操作需要進(jìn)行精細調整?，F實(shí)世界中沒(méi)有什么事像“即插即用”這么簡(jiǎn)單。一個(gè)系統的試運行要求必須調整參數，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雜的反復過(guò)程。如今的軟件具有以很高層次執行這種“精細調整”的能力，并且可以向OEM廠(chǎng)商提供簡(jiǎn)單直觀(guān)的濾波器調整程序（圖2）。

校準時(shí)間
校準時(shí)間被定義為在純凈的磁場(chǎng)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(shí)間。所有磁性賀德克傳感器都需要進(jìn)行校準，但用于校準的方法定義了zui終用戶(hù)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(hù)將設備在空氣中做8字運動(dòng)完成設備的校準。即使是由有經(jīng)驗的測試人員來(lái)做，這種方法也要花5s～6s的時(shí)間才能完成設備校準。
具有較短校準時(shí)間的設備使用壓力開(kāi)關(guān)校準磁力賀德克傳感器，這意味著(zhù)校準可以在背景中運行，所要求的設備移動(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)永遠不必主動(dòng)去校準賀德克傳感器。博世賀德克傳感器技術(shù)公司的快速磁力校準(FMC)算法就是使用后一種方法來(lái)確保較短的校準時(shí)間。

方位穩定時(shí)間
方位穩定時(shí)間被定義為“運動(dòng)之后”到達、穩定方位狀態(tài)所需的時(shí)間。方位穩定時(shí)間應盡可能短，以便用戶(hù)看不到他們停止移動(dòng)設備與設備停止移動(dòng)并穩定到正確位置之間的延遲。當設備的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度都很差時(shí)，設備上的這種延遲就很明顯，因為需要更多時(shí)間校正移動(dòng)中累積的誤差。這種效應在需要實(shí)時(shí)響應的游戲和虛擬/增強現實(shí)應用中尤其令人討厭。
從詳細的評估和分析來(lái)看，顯然本文所述的賀德克傳感器融合現在可以廣泛應用于專(zhuān)業(yè)級和消費級市場(chǎng)?，F場(chǎng)試驗表明，用戶(hù)可以在性能和精度方面獲得有價(jià)值的升級。雖然硬件和軟件方面的概念和工程技術(shù)比較復雜，但對開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，從當前賀德克傳感器融合過(guò)渡到這種*解決方案的任務(wù)卻相對簡(jiǎn)單。

賀德克傳感器:利用賀德克傳感器融合增強設備性能