智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備開啟傳感器融合創(chuàng)新時代

在創(chuàng)建新的應(yīng)用平臺和用戶體驗時，更智能的算法旨在能更有效地處理傳感器融合難題。

傳感器融合能夠通過整合多個傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，目前正快速應(yīng)用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、汽車和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。傳感器融合也為新興技術(shù)應(yīng)用注入了活力，如增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）、自動駕駛汽車。

首先，搞清楚傳感器融合和傳感器中樞（Sensor Hub）的區(qū)別非常重要。傳感器融合從所有傳感器中獲取數(shù)據(jù)，然后使用軟件算法交叉引用多個信息源，最后創(chuàng)建出一致的圖像。例如，它整合了來自加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)，從而為健身追蹤的可穿戴設(shè)備提供運(yùn)動情境感知。

另一方面，傳感器中樞利用傳感器融合提供的信息，并將其轉(zhuǎn)換為有意義的內(nèi)容。它通常是一個微控制器（MCU）或微處理器（MPU），用于執(zhí)行專門的任務(wù)，比如計步器中的計步功能。

在過去幾年中，傳感器融合技術(shù)以及傳感器中樞已經(jīng)改變了智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備、游戲控制器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計。它已成為優(yōu)化傳感器架構(gòu)的基本要素，致力于為移動用戶創(chuàng)造新的體驗。

這一切都始于智能手機(jī)開始整理傳感器的數(shù)據(jù)，比如加速度計、陀螺儀和磁力計，用于后蘋果（iPhone）時代的導(dǎo)航和活動監(jiān)控應(yīng)用。自那時起，傳感器融合一直試圖在多個移動平臺上協(xié)調(diào)不同的傳感器組合，從而創(chuàng)造新的用戶體驗。

智能手機(jī)及其它可穿戴設(shè)備

幾乎所有高端安卓（Android）智能手機(jī)現(xiàn)在都將傳感器融合作為加速度計、陀螺儀和其它傳感器的連接中樞。首先，在GPS信號不可用或很差的建筑物內(nèi)，智能手機(jī)制造商正試圖利用傳感器融合改善GPS位置跟蹤和感知。

這時，傳感器融合可以通過整合來自加速度計、陀螺儀和其它傳感器的數(shù)據(jù)，來幫助跟蹤設(shè)備的確切位置。例如，集成氣壓傳感器可以增強(qiáng)智能手機(jī)的多項功能，包括天氣預(yù)報、高度感知以及其它定位的功能。

因此，毫不奇怪，為獲得準(zhǔn)確的室內(nèi)定位，大多數(shù)新的智能手機(jī)在設(shè)計時配備了多個傳感器。

在移動領(lǐng)域，傳感器融合技術(shù)的下一個前沿是可穿戴設(shè)備的發(fā)展領(lǐng)域。在這里，傳感器融合正成為跨越健身、醫(yī)療保健和消費(fèi)市場的可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。

以高通公司Snapdragon Wear 2500芯片為例，這款芯片專為兒童智能手表而設(shè)計。它采用傳感器融合技術(shù)來提供位置跟蹤，而不是依靠一個獨立的GPS設(shè)備。該芯片內(nèi)置傳感器中樞并預(yù)先集成了傳感器算法，它允許可穿戴設(shè)備制造商增置其它傳感器。

功耗是緊湊型可穿戴設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題，它持續(xù)推動著節(jié)能算法的發(fā)展。同時，在促進(jìn)可穿戴設(shè)備為主動運(yùn)動、臨床試驗和AR/VR電子產(chǎn)品達(dá)到前所未有的精度和準(zhǔn)確性方面，傳感器融合算法發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

軟件補(bǔ)充

在傳感器融合設(shè)計中，用于保持位置、方向和姿態(tài)感知的算法，為復(fù)雜數(shù)據(jù)分析奠定了至關(guān)重要的基礎(chǔ)。例如，定位和跟蹤算法可以對不完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行推論，引入冗余和容錯，并像人類那樣推斷出相關(guān)的信息。

值得麥姆斯咨詢提醒的是，從事跟蹤和導(dǎo)航系統(tǒng)算法的設(shè)計人員，通常會創(chuàng)建一些內(nèi)部用的軟件工具，但這些工具很難維護(hù)和重復(fù)使用。因此，像MathWorks這樣的公司會提供一些工具集，允許工程師對多傳感器數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、仿真和分析。

MathWorks的傳感器融合和跟蹤工具箱使工程師無需編寫自定義庫就可以探索多種設(shè)計。這有助于算法進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，利用真實和合成的數(shù)據(jù)對融合架構(gòu)進(jìn)行評估。此外，還有多目標(biāo)跟蹤器、傳感器融合過濾器以及運(yùn)動和傳感器模型，可以補(bǔ)充工具集。

利用MathWorks傳感器融合和跟蹤工具箱實現(xiàn)多平臺雷達(dá)探測生成功能

該工具集有助于有源和無源傳感器的數(shù)據(jù)合成，包括射頻（RF）、聲學(xué)、紅外、GPS和慣性測量單元（IMU）傳感器，它還包括生成場景和軌跡的工具。它還擴(kuò)展了基于MATLAB的工作流程，幫助工程師開發(fā)傳感器融合系統(tǒng)的精確感知算法。

傳感器芯片供應(yīng)商TDK InvenSense公司同時還提供傳感器融合算法和運(yùn)行時間校準(zhǔn)固件。這反過來不僅消除了對分立元件的需求，又保證了校準(zhǔn)程序與傳感器融合算法相輔相成，以提供精確和絕對的定位。

同樣，傳感器供應(yīng)商Bosch Sensortec公司與InterDigital旗下的軟件公司Hillcrest Labs合作，提供一站式傳感器融合解決方案。例如，博世的BNO080和BNO085模塊集成了三軸加速度計、三軸陀螺儀和磁力計，以及一個32位Arm Cortex-M0+微控制器，運(yùn)行Hillcrest的SH-2固件。

博世BNO085系統(tǒng)級封裝（SiP）模塊運(yùn)行Hillcrest的SH-2固件

SH-2包含了MotionEngine軟件，該軟件提供先進(jìn)的信號處理算法來處理傳感器數(shù)據(jù)，并提供精確的實時3D定位、航向、校準(zhǔn)加速度和校準(zhǔn)角速度。MotionEngine軟件采用先進(jìn)的校準(zhǔn)和傳感器融合技術(shù)將單個傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成運(yùn)動應(yīng)用，如運(yùn)動跟蹤、情境感知、高級游戲和頭部跟蹤。

創(chuàng)新熱土

傳感器幾乎無處不在，這使得傳感器融合成為移動設(shè)備設(shè)計方案的重要組成部分。因此，傳感器融合技術(shù)將隨著智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備和其它移動設(shè)備新應(yīng)用的出現(xiàn)而不斷發(fā)展。

傳感器融合在智能手機(jī)和其他移動設(shè)備設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)有十多年的歷史了，但事實證明，傳感器融合仍然可以發(fā)揮更多的作用。例如，傳感器融合技術(shù)在改善傳感器返回數(shù)據(jù)中的噪聲和不準(zhǔn)確方面發(fā)揮著重要作用。尤其是對于當(dāng)前比較流行的智能傳感語音激活平臺，這將大大縮短處理時間。此外，還有支持藍(lán)牙的智能耳機(jī)和可穿戴設(shè)備，為Alexa語音服務(wù)增加了端到端的支持。

在一些始終開啟或收聽語音的應(yīng)用中，傳感器融合還將在防止電池耗盡和確保觸發(fā)詞有效方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。同時，新的基于位置的服務(wù)和基于動作的游戲環(huán)境將繼續(xù)推動傳感器融合技術(shù)進(jìn)入新的創(chuàng)新時代。