不斷發(fā)展的傳感器融合技術(shù)

作者：Majeed Ahmad，特約作家

傳感器融合通過(guò)多個(gè)傳感器的組合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，正在迅速應(yīng)用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備等移動(dòng)設(shè)計(jì)中。傳感器融合平臺(tái)也為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 和虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 小工具等新興類別注入了新的活力。

對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，了解傳感器融合和傳感器集線器之間的區(qū)別很重要。傳感器融合從所有傳感器獲取數(shù)據(jù)，并使用軟件算法交叉引用多個(gè)信息源以創(chuàng)建連貫的圖像。例如，它結(jié)合來(lái)自加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)，隨后為健身追蹤可穿戴設(shè)備提供運(yùn)動(dòng)上下文。

另一方面，傳感器集線器利用傳感器融合提供的信息并將其轉(zhuǎn)化為有意義的上下文。它通常是執(zhí)行專門任務(wù)的微控制器 (MCU) 或微處理器 (MPU)，例如在計(jì)步器中計(jì)算步數(shù)。

在過(guò)去的幾年里，傳感器融合技術(shù)以及傳感器集線器已經(jīng)改變了智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備、游戲和物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)。這使其成為優(yōu)化傳感器架構(gòu)的基本組成部分，力求為移動(dòng)用戶創(chuàng)造新體驗(yàn)。

這一切都始于智能手機(jī)開(kāi)始整理來(lái)自加速度計(jì)和陀螺儀等傳感器的數(shù)據(jù)，用于在 iPhone 后時(shí)代迎合室內(nèi)導(dǎo)航和活動(dòng)監(jiān)控的應(yīng)用程序。從那時(shí)起，傳感器融合一直試圖在多個(gè)移動(dòng)平臺(tái)上協(xié)調(diào)不同的傳感器組合，從而創(chuàng)造新的用戶體驗(yàn)。

智能手機(jī)及其他幾乎所有高端 Android 手機(jī)現(xiàn)在都將傳感器融合作為加速度計(jì)、陀螺儀和其他傳感器的連接中心。首先，智能手機(jī)制造商正試圖在信號(hào)不可用或非常差的建筑物內(nèi)改進(jìn) GPS 位置跟蹤和傳感。

在這里，傳感器融合可以通過(guò)整理來(lái)自加速度計(jì)、陀螺儀和其他傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)幫助跟蹤設(shè)備的確切位置。例如，氣壓傳感器的集成可以通過(guò)天氣預(yù)報(bào)、高度感應(yīng)和其他以位置為中心的功能來(lái)增強(qiáng)智能手機(jī)的功能。

因此，毫不奇怪，大多數(shù)新的智能手機(jī)設(shè)計(jì)都配備了多個(gè)傳感器以獲得準(zhǔn)確的室內(nèi)定位結(jié)果。

在移動(dòng)領(lǐng)域，傳感器融合技術(shù)的下一個(gè)前沿領(lǐng)域是不斷增長(zhǎng)的可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。在這里，傳感器融合正在成為跨越健身、醫(yī)療保健和生活方式市場(chǎng)的可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)差異化因素。

以高通公司專為兒童智能手表設(shè)計(jì)的Snapdragon Wear 2500芯片為例。它采用傳感器融合技術(shù)來(lái)提供位置跟蹤，而不是依賴獨(dú)立的 GPS 設(shè)備。該芯片具有內(nèi)置傳感器集線器和預(yù)集成的傳感器算法，它允許可穿戴設(shè)備制造商實(shí)施額外的傳感器。

功耗是緊湊型可穿戴設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，它繼續(xù)推動(dòng)著節(jié)能算法的發(fā)展。然而，與此同時(shí)，傳感器融合算法在促進(jìn)可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)前所未有的精確度和準(zhǔn)確性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，這些設(shè)備服務(wù)于主動(dòng)運(yùn)動(dòng)、臨床試驗(yàn)以及 AR 和 VR 設(shè)備。

軟件補(bǔ)充算法，在傳感器融合設(shè)計(jì)中保持位置、方向和態(tài)勢(shì)感知，在為復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，定位和跟蹤算法可以從不完整的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生推論，引入冗余和容錯(cuò)，并推斷出類人的上下文信息。

這里值得一提的是，從事跟蹤和導(dǎo)航系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)人員通常會(huì)創(chuàng)建難以維護(hù)和重用的內(nèi)部工具。因此，像 MathWorks 這樣的公司正在提供工具集，允許工程師設(shè)計(jì)、模擬和分析融合來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

MathWorks的傳感器融合和跟蹤工具箱使工程師能夠探索多種設(shè)計(jì)，而無(wú)需編寫自定義庫(kù)。這有助于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法，該算法可以使用真實(shí)和合成數(shù)據(jù)評(píng)估融合架構(gòu)。然后是多對(duì)象跟蹤器、傳感器融合過(guò)濾器以及補(bǔ)充工具集的運(yùn)動(dòng)和傳感器模型。

MathWorks 傳感器融合和跟蹤工具箱中的多平臺(tái)雷達(dá)檢測(cè)生成功能。（圖片：MathWorks）

該工具集有助于為有源和無(wú)源傳感器（包括射頻、聲學(xué)、紅外、GPS 和慣性測(cè)量單元 (IMU) 傳感器）生成合成數(shù)據(jù)，并包括場(chǎng)景和軌跡生成工具。它還擴(kuò)展了基于 MATLAB 的工作流程，以幫助工程師為傳感器融合系統(tǒng)開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確的感知算法。

TDK 公司 InvenSense 等傳感器芯片供應(yīng)商也提供傳感器融合算法和運(yùn)行時(shí)校準(zhǔn)固件。這反過(guò)來(lái)又消除了對(duì)分立元件的需求，并保證校準(zhǔn)程序補(bǔ)充傳感器融合算法以提供精確和絕對(duì)定位。

同樣，傳感器供應(yīng)商 Bosch Sensortec 與軟件公司 Hillcrest Labs（?InterDigital, Inc.的子公司）合作，提供交鑰匙傳感器融合解決方案。例如，博世的BNO080?和 BNO085 模塊將三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和磁力計(jì)與在 Hillcrest 的 SH-2 固件上運(yùn)行的 32 位 Arm Cortex-M0+ 微控制器集成在一起。

Bosch 的 BNO085 SiP 模塊在 Hillcrest 的 SH-2 固件上運(yùn)行。（圖片：希爾克雷斯特實(shí)驗(yàn)室）

SH-2 中的 MotionEngine 軟件提供復(fù)雜的信號(hào)處理算法來(lái)處理傳感器數(shù)據(jù)并具有精確的實(shí)時(shí) 3D 方向、航向、校準(zhǔn)加速度和校準(zhǔn)角速度。MotionEngine 軟件采用高級(jí)校準(zhǔn)和傳感器融合，將單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)應(yīng)用，例如活動(dòng)跟蹤、情境感知、高級(jí)游戲和頭部跟蹤。

創(chuàng)新溫床傳感器幾乎無(wú)處不在，這使得傳感器融合成為移動(dòng)設(shè)計(jì)配方中的關(guān)鍵組成部分。因此，隨著更新的應(yīng)用登陸智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備和其他移動(dòng)平臺(tái)，傳感器融合技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展。

傳感器融合在智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)計(jì)中找到家已經(jīng)十多年了，但事實(shí)證明，傳感器融合仍然可以做得更多。例如，傳感器融合技術(shù)在改善傳感器返回的經(jīng)常嘈雜和不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)方面發(fā)揮著重要作用。當(dāng)聲控平臺(tái)加入傳感器潮流時(shí)，這尤其有利，這大大減少了處理時(shí)間。然后是支持藍(lán)牙的可聽(tīng)和可穿戴設(shè)備，它們?yōu)?Alexa 語(yǔ)音服務(wù)添加了端到端支持。

傳感器融合還將在防止電池耗盡和確保這些始終在線和始終收聽(tīng)語(yǔ)音應(yīng)用中的觸發(fā)詞效率方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。與此同時(shí)，新的基于位置的服務(wù)和基于動(dòng)作的游戲環(huán)境將繼續(xù)推動(dòng)傳感器融合技術(shù)走向創(chuàng)新的新時(shí)代。

審核編輯 黃昊宇