以智能手機(jī)為主，包括智能腕表、健身追蹤器和可聽戴設(shè)備等在內(nèi)的各類便攜式聯(lián)網(wǎng)電子設(shè)備，徹底改變了我們的生活。這些設(shè)備在數(shù)據(jù)采集中融入了處理功能和無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

但是，相比其他所有功能特性，運(yùn)動(dòng)傳感器對(duì)于便攜式設(shè)備的實(shí)用和直觀的重要性很容易被忽略。無(wú)論是在手機(jī)上改變屏幕方向、在智能腕表上統(tǒng)計(jì)步數(shù)、匹配頭部運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）眼鏡，還是輕敲耳塞式耳機(jī)來(lái)更換歌曲，動(dòng)作感測(cè)始終是用戶體驗(yàn)和界面的重要組成部分。

對(duì)于嵌入式工程師而言，選擇和集成運(yùn)動(dòng)傳感器可能會(huì)很棘手。如何確保在不增加不必要的成本或功耗的前提下，選擇正確的技術(shù)以獲得所需的精確度？以及如何確保最大限度地利用傳感器，并且不會(huì)錯(cuò)過(guò)可以改進(jìn)最終產(chǎn)品的性能或功能？

運(yùn)動(dòng)傳感器基本原理

首先，快速回顧一下我們所說(shuō)的運(yùn)動(dòng)傳感器。常用的有三種：加速計(jì)、陀螺儀和磁強(qiáng)計(jì)。

加速計(jì)用于測(cè)量加速度（包括重力加速度）。這意味著它可以感測(cè)重力相對(duì)于傳感器的方向（基本上是朝上的方向）。陀螺儀通過(guò)測(cè)量角速度來(lái)測(cè)量角位置的變化。

加速計(jì)和陀螺儀各有3個(gè)自由度（或3個(gè)軸），兩者結(jié)合就可以得到一個(gè)6軸運(yùn)動(dòng)傳感器，或稱IMU（慣性測(cè)量單元，見圖1）。在許多應(yīng)用中，我們還需要增加一個(gè)測(cè)量地球磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的磁強(qiáng)計(jì)，以便于估計(jì)我們前進(jìn)的方向。在加速計(jì)和陀螺儀上添加一個(gè)3軸磁強(qiáng)計(jì)，就可以得到一個(gè)9軸IMU。

因此，本文我們將深入探討IMU。雖然我們討論的某些特性可以單獨(dú)應(yīng)用于加速計(jì)、陀螺儀或磁強(qiáng)計(jì)本身，但我們想要闡述的是將至少兩種傳感器結(jié)合起來(lái)所面臨的挑戰(zhàn)。

圖 1：IMU實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)感測(cè)

保持精確

現(xiàn)在我們已經(jīng)回顧了IMU的理論知識(shí)，如何在實(shí)踐中實(shí)施？我們?nèi)绾尾拍塬@得所需的精確度？

對(duì)于IMU來(lái)說(shuō)，在確定設(shè)備行進(jìn)方向時(shí)所獲得的精確度是一個(gè)我們可以作為起始點(diǎn)的基礎(chǔ)度量標(biāo)準(zhǔn)。我們的要求可能在一到兩度范圍內(nèi)，而較低的精確度可以被其他應(yīng)用程序接受。例如，XR耳機(jī)的精確度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)兒童的機(jī)器人玩具。然后我們應(yīng)該考慮該數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，以及它是否會(huì)隨時(shí)間和溫度發(fā)生變化。

從我們的IMU獲得最高精確度輸出需要應(yīng)用感測(cè)融合概念，即融合多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)以創(chuàng)建整體大于部分的總和。IMU的每個(gè)傳感器都各有優(yōu)劣勢(shì)，將其融合在一起可形成更好的解決方案。

考慮感測(cè)融合的一種方式是基于“信任”。在這種情況下，我們可以使用“信任”表示，來(lái)自特定傳感器的數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確性和相關(guān)性方面具有合理的可信度。假設(shè)你是一個(gè)國(guó)家的“總統(tǒng)”，則必須由你決定相關(guān)政策。你有經(jīng)濟(jì)、衛(wèi)生和軍事顧問(wèn)。每個(gè)人都可以為你提供一份信息，但他們分屬不同領(lǐng)域。他們會(huì)考慮各自的觀點(diǎn)將如何影響“同僚”，但僅限于猜想。最終要由你來(lái)處理和融合他們的信息，以形成最佳決策。

你同樣有兩至三個(gè)可以從IMU獲得定向數(shù)據(jù)的“顧問(wèn)”：加速計(jì)、陀螺儀以及磁強(qiáng)計(jì)。陀螺儀最容易解釋。消費(fèi)級(jí)陀螺儀無(wú)疑可以在短短幾秒鐘內(nèi)進(jìn)行相對(duì)方向的更改，但輸出將漂移較長(zhǎng)的時(shí)間間隔，甚至?xí)_(dá)到數(shù)十秒以上。加速計(jì)有助于長(zhǎng)期測(cè)量重力，但可能無(wú)法識(shí)別特定場(chǎng)景，比如汽車的恒定加速度。我們可以在穩(wěn)定的磁場(chǎng)環(huán)境中（例如鄉(xiāng)村或森林）使用磁強(qiáng)計(jì)，但如果有磁場(chǎng)干擾，比如在鋼結(jié)構(gòu)建筑物內(nèi)，可信度就會(huì)降低。

總之，陀螺儀適用于短期測(cè)量，加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)適用于長(zhǎng)期測(cè)量。詳細(xì)了解它們的局限性后，就可以把它們的數(shù)據(jù)融合在一起，獲得更準(zhǔn)確的設(shè)備方位圖。

對(duì)于多個(gè)傳感器輸出信息（如9軸IMU），感測(cè)融合使我們有機(jī)會(huì)整合并對(duì)比數(shù)據(jù)，從而提高精確度。例如，如果我們的感測(cè)融合軟件包含一種算法，可以檢測(cè)由于磁場(chǎng)干擾而導(dǎo)致磁強(qiáng)計(jì)輸出發(fā)生的意外或突然變化，那么在磁強(qiáng)計(jì)恢復(fù)穩(wěn)定之前，算法可以自動(dòng)提升對(duì)加速計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)的信心。

采樣率對(duì)于精確度也很重要——所選傳感器提供的數(shù)據(jù)是否足夠滿足需求？當(dāng)然，這具體取決于應(yīng)用程序：例如，對(duì)于一個(gè)基礎(chǔ)計(jì)步器而言，每秒幾次讀數(shù)可能已經(jīng)足夠，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，建議采樣頻率達(dá)到100Hz到400Hz。然而，在XR應(yīng)用中，精確的頭部跟蹤可能需要1kHz或更高的采樣率（此處XR是VR、MR和AR的統(tǒng)稱）。快速采樣率對(duì)于實(shí)現(xiàn)低延遲同樣重要，在我們的頭部跟蹤示例中，這代表著沉浸式VR體驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)暈眩感受之間的本質(zhì)區(qū)別！

我們還需要考慮校準(zhǔn)。許多傳感器都是按“原樣”提供，輸出信息比僅供參考的數(shù)據(jù)表沒(méi)有太多變化。任何類型的校準(zhǔn)都將有助于最大限度保持不同個(gè)體傳感器之間的性能一致性。工廠校準(zhǔn)是提高個(gè)體性能的一種強(qiáng)有力方式，但成本相對(duì)昂貴。現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)是另一種方案，需要對(duì)傳感器本身或至少對(duì)應(yīng)用程序有詳細(xì)的了解。傳感器的應(yīng)用偏差如果不解釋清楚，就會(huì)對(duì)整體輸出產(chǎn)生可能加劇現(xiàn)有任何錯(cuò)誤的負(fù)面影響。

最后，我們需要考慮如何驗(yàn)證我們獲得的傳感器數(shù)據(jù)，并將它們?nèi)诤显谝黄稹ｋm然這取決于我們的追蹤目標(biāo)，但基本原則是利用另一個(gè)獨(dú)立的信息源來(lái)提供真實(shí)狀態(tài)支持我們檢查傳感器輸出。例如，機(jī)器人的手臂可以非常精確地重復(fù)移動(dòng)到已知點(diǎn)，然后我們可以查看傳感器是否給我們提供相同的位置數(shù)據(jù)。當(dāng)我們檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，有可能通過(guò)計(jì)算進(jìn)行彌補(bǔ)，或者將其標(biāo)記為需要進(jìn)一步關(guān)注的錯(cuò)誤。

啟用新功能

一旦我們獲得了高精度測(cè)量運(yùn)動(dòng)的能力，它不僅有助于現(xiàn)有的應(yīng)用程序，還可以讓便攜式設(shè)備的新功能付諸實(shí)現(xiàn)。例如，可聽戴設(shè)備（圖2）的傳統(tǒng)用戶界面存在問(wèn)題：用戶不想取出手機(jī)進(jìn)行控制，而且可聽戴設(shè)備本身太小，沒(méi)有方便的按鈕。相反，輕敲可聽戴設(shè)備可以用來(lái)跳過(guò)曲目，探測(cè)從耳朵里取出的動(dòng)作可以用來(lái)靜音所有音頻——因?yàn)樵搫?dòng)作很可能表明希望音頻停止播放。利用運(yùn)動(dòng)跟蹤以及“遙感分類器”等識(shí)別不同動(dòng)作的算法，提供更方便和直觀的用戶體驗(yàn)。

圖 2：可聽戴設(shè)備

運(yùn)動(dòng)傳感器提供的精確信息同樣意味著便攜式設(shè)備可以更好地了解周圍發(fā)生的事情，或者攜帶者正在進(jìn)行的活動(dòng)。這就是所謂的情境感知，可以用來(lái)提供更身臨其境的體驗(yàn)，比如當(dāng)你走到人行橫道時(shí)，音樂(lè)音量會(huì)自動(dòng)調(diào)低，以便讓你聽到附近救護(hù)車的警報(bào)聲。

對(duì)于健身跟蹤應(yīng)用程序，提高精確度可以區(qū)分不同的用戶活動(dòng)。例如，如果你的步動(dòng)跟蹤器可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)的規(guī)模、速度或其他特征，它就可以判斷出你是正常行走，還是爬樓梯或下樓梯。融合其他傳感器數(shù)據(jù)，如氣壓和GPS定位，軟件可以建立詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)圖像，并估算出燃燒的卡路里。

合而為一：感測(cè)融合與軟件

正如我們所討論的，為了最大化運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的精確度和有效性，僅僅生成一個(gè)原始數(shù)據(jù)提要是不夠的。設(shè)備需要處理數(shù)據(jù)，補(bǔ)償系統(tǒng)的不精確性，并整合來(lái)自多個(gè)傳感器的信息。

其中有很多信息需要處理。感測(cè)融合非常復(fù)雜，需要特定的專業(yè)技術(shù)才能在小身軀的設(shè)備中達(dá)到最佳效果。然而，目前有各種產(chǎn)品集成了所需的傳感器和處理程序——例如，由Bosch和CEVA Hillcrest Labs合作開發(fā)的BNO080/085，集成了高性能加速計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)和陀螺儀，以及低功耗MCU。

Hillcrest Labs的MotionEngine 傳感器中心軟件在BNO085上預(yù)先編程，提供6軸和9軸運(yùn)動(dòng)跟蹤，以及其他智能功能，例如對(duì)行走、跑步和站立等用戶活動(dòng)進(jìn)行分類（圖3）。MotionEngine傳感器中心兼容領(lǐng)先的嵌入式處理架構(gòu)和操作系統(tǒng)，專業(yè)版適用于可聽戴設(shè)備、智能電視、機(jī)器人、移動(dòng)計(jì)算、遙控、低功耗移動(dòng)應(yīng)用程序等。

圖 3：綜合感測(cè)融合和算法

實(shí)時(shí)整合所有數(shù)據(jù)具有很大挑戰(zhàn)性，并且所需的處理性能非同小可。最好選擇集成傳感器在傳感器設(shè)備本身的MCU核心上運(yùn)行這些算法，而不是通過(guò)一個(gè)主應(yīng)用處理器來(lái)承擔(dān)這些繁瑣事項(xiàng)。尤其是對(duì)于像計(jì)步這樣“始終開啟”的任務(wù)，如果我們能夠避免每次檢測(cè)到移動(dòng)時(shí)都喚醒主處理器，就可以保持睡眠模式，從而可以減少總功耗，并延長(zhǎng)電池壽命?；氐轿覀兦懊娴摹翱偨y(tǒng)”類比，專注于感測(cè)融合的SiP（系統(tǒng)級(jí)封裝）就像讓一位“副總統(tǒng)”來(lái)處理某些決策，以便作為“總統(tǒng)”的主處理器可以專注于更緊迫的任務(wù)。

結(jié)論

運(yùn)動(dòng)傳感器在諸多應(yīng)用中都扮演著重要角色，至于說(shuō)如何選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備以及如何達(dá)到應(yīng)用所需的精確度，乃至需要多高的精確度，則并不總是那么簡(jiǎn)單明確。不同的用例需要不同的精確度級(jí)別，并且需要不同的數(shù)據(jù)類型。

集成傳感器和感測(cè)融合通?？梢詾檫@一問(wèn)題提供解決方案。通過(guò)與適當(dāng)?shù)墓?yīng)商合作，可以確保毫無(wú)保留地獲得精確、可靠的數(shù)據(jù)以及特定應(yīng)用程序的增值功能——同時(shí)將成本和功耗限制在最低水平。
編輯：lyn