6DOF和9DOF傳感器融合的基礎(chǔ)知識

　　eCompass 建立在一個非常靈敏的 3 軸磁力計之上，該磁力計致力于測量地球的地磁場。它與一個 3 軸加速度計相關(guān)聯(lián)，其主要目的是為地球磁場矢量提供水平參考，類似于機械磁羅盤必須保持水平才能使其指針自由旋轉(zhuǎn)并指向北極。

　　這兩個傳感器的組合為“傾斜補償”電子羅盤提供了六個可測量數(shù)據(jù)點，通常稱為六個自由度 （DOF）。這種雙傳感器組合的主要優(yōu)勢在于，無論用戶如何握住智能手機或平板電腦（例如，在平面或垂直位置、縱向或橫向），它都能提供北向。如果這兩個矢量不共線（例如在兩極），六自由度電子羅盤可以通過簡單地測量地球的重力和地磁場進(jìn)一步提供設(shè)備在 3D 空間中的姿態(tài)和航向。這就是天空地圖應(yīng)用程序可以指向可見恒星并教你星座的方式。

　　雖然加速度計的現(xiàn)成精度令人滿意，但磁力計測量容易受到失真和誤差的影響，這些失真和誤差會影響最終環(huán)境中的校準(zhǔn)和校正。事實上，即使磁力計已經(jīng)由供應(yīng)商徹底校準(zhǔn)，一旦安裝到最終產(chǎn)品中，它也會遭受局部磁場擾動，例如硬鐵和軟鐵失真，這主要是由于附近存在磁性材料。傳感器。磁干擾可能比地球感興趣的地磁場大 20 倍，因此絕對必須消除它們。

　　一個值得注意的場磁力計校準(zhǔn)程序是個人設(shè)備指示其用戶執(zhí)行的“數(shù)字 8”手勢。在這里，校準(zhǔn)是通過簡單地利用用戶設(shè)備的各種自然方向在環(huán)境中執(zhí)行的，或者通過直接操縱設(shè)備或通過用戶的移動間接進(jìn)行。最精確的校準(zhǔn)算法基于將實際磁力計測量的散點圖擬合到橢球體，然后使用校正參數(shù)將橢球體轉(zhuǎn)換為球體。

　　一旦正確校準(zhǔn)，六自由度電子羅盤就能夠提供設(shè)備的準(zhǔn)確方向。此外，復(fù)雜的橢球到球體擬合校準(zhǔn)算法可以在后臺運行并定期更新校正參數(shù)以跟蹤環(huán)境溫度等變化。盡管如此，六自由度電子羅盤仍然存在一些弱點：

　　加速度計測量僅在靜止時反映地球重力矢量。每當(dāng)設(shè)備移動時，也會捕獲線性加速度，這可能會破壞傾斜校正的水平度估計。

　　盡管經(jīng)過校準(zhǔn)，磁力計仍然對隨時間變化的磁干擾高度敏感。任何變化的“磁環(huán)境”都會導(dǎo)致無法恢復(fù)的測量失真。

　　兩個傳感器的輸出數(shù)據(jù)通常經(jīng)過低通濾波，以消除測量噪聲（尤其是磁力計）并減少擾動影響。這會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)滯后，因為計算出的方向可能會被嚴(yán)重平滑。

　　為了緩解 6DOF 的不足，可以添加一個 3 軸陀螺儀，創(chuàng)建一個 9DOF 或“陀螺穩(wěn)定”的電子羅盤解決方案。陀螺儀為系統(tǒng)提供了對瞬時旋轉(zhuǎn)速度的獨立測量，這補充了 6DOF 計算的定向角度。盡管如此，陀螺儀還是有一個惱人的“零漂移偏移”缺點，因為嚴(yán)格靜止的陀螺儀將提供剩余的旋轉(zhuǎn)速度偏移，而不是理論上的每秒零度。糾正這個誤差很重要，因為旋轉(zhuǎn)速度測量誤差將通過與 6DOF 旋轉(zhuǎn)角度估計相匹配的積分隨著時間累積。

　　與 6DOF 加速度計/磁力計數(shù)據(jù)經(jīng)過低通濾波的方式類似，3DOF 陀螺儀數(shù)據(jù)也可以經(jīng)過高通濾波以消除不需要的 DC 偏移。事實上，由于使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器的專用數(shù)據(jù)處理，甚至可以估計這些偏移量。解決 6DOF 和 9DOF 傳感器融合雛形的一種全面而有指導(dǎo)意義的方法是使用飛思卡爾的傳感器融合工具箱進(jìn)行試驗，該工具箱可在 www.freescale.com/sensorfusion 下載。

　　得益于第三種傳感器和傳感器融合算法，9DOF 傾斜補償和陀螺穩(wěn)定型電子羅盤現(xiàn)在正在從所有三個傳感器中收集最佳數(shù)據(jù)，利用其他傳感器的優(yōu)勢識別和補償一些缺陷。它提供了對設(shè)備方位角、旋轉(zhuǎn)速度、線性加速度、地球重力和地磁場的準(zhǔn)確、低噪聲、平滑但響應(yīng)迅速的估計；提供傳感器校準(zhǔn)錯誤信息；并且對磁干擾更有彈性。結(jié)果大大超過了單個傳感器貢獻(xiàn)的總和，這是傳感器融合的本質(zhì)。

　　審核編輯：郭婷