【導(dǎo)讀】可穿戴設(shè)備的興起促使運動傳感器技術(shù)遍地生花。例如智能手機(jī)、電視遙控器、視頻控制臺、個人訓(xùn)練設(shè)備等等應(yīng)用層出不窮。對于3軸地磁傳感器，可謂是可穿戴設(shè)備中的關(guān)鍵。本文就來為大家精講3軸地磁傳感器的大起底。
3軸地磁傳感器
地磁傳感器用于測量地球的磁場，進(jìn)而推導(dǎo)出航向。歷史上曾用于羅盤的地磁傳感器如今被大批量用于種類廣泛的應(yīng)用，包括汽車羅盤(在后視鏡中)、手表、雷達(dá)探測器、傳動軸和機(jī)器人。然而，真正廣泛的采用起始于iPhone3GS，它是美國首款包含羅盤并得到廣泛普及的智能手機(jī)。
磁力傳感器的主要問題是它們測量所有磁場，不僅是地球磁場。例如，像電池或含鐵元件等系統(tǒng)元件將干擾傳感器附近的磁場。這些被認(rèn)為是系統(tǒng)內(nèi)的固定干擾，可以通過校準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償。
更大的問題是改變局部磁場會臨時性地干擾航向信息。桌椅上的金屬部件、開過的汽車、附近的其它手機(jī)和電腦、窗框、建筑物內(nèi)的雷達(dá)等物件都會干擾讀數(shù)。補(bǔ)償這些磁場和其它瞬時地磁異常要求開發(fā)出復(fù)雜的算法，以便有效地將地球的磁場與其它臨時性“侵入”磁場區(qū)分開來。
詳細(xì)了解地磁傳感器
在今天的消費電子產(chǎn)品中使用最廣泛的地磁傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器。這種傳感器主導(dǎo)消費市場的原因是體積小、價格低并且節(jié)省功耗。但這種傳感器同樣有噪聲，很容易受其它磁場干擾，這些問題如果不校正將限制其向陀螺儀提供正確航向數(shù)據(jù)的能力。然而，如果能夠接受稍大尺寸的永磁感應(yīng)式地磁傳感器，就可以在不犧牲成本或功耗的情況下獲得顯著改進(jìn)的噪聲與分辨率性能。表1顯示了霍爾效應(yīng)和永磁感應(yīng)傳感器的規(guī)格。注意，永磁感應(yīng)傳感器可以提供明顯更低的噪聲和更高的分辨率。
表1：霍爾效應(yīng)和永磁感應(yīng)傳感器規(guī)格
下圖顯示了地磁傳感器在磁場強(qiáng)度為2.4mT數(shù)量級的固定位置旋轉(zhuǎn)時輸出的磁場讀數(shù)。在圖1中，傳感器旋轉(zhuǎn)了整整360°，而在圖2中，傳感器從0°旋轉(zhuǎn)到90°。這兩張圖都繪出了霍爾效應(yīng)傳感器、永磁感應(yīng)傳感器和理想傳感器的試驗數(shù)據(jù)。
圖1：當(dāng)傳感器旋轉(zhuǎn)360°時的磁場讀數(shù)
從圖中可以看出，霍爾效應(yīng)傳感器的噪聲要比永磁感應(yīng)傳感器大得多。這與器件參數(shù)規(guī)格一致，因為霍爾效應(yīng)傳感器的噪聲指標(biāo)為500nT，而永磁感應(yīng)傳感器噪聲指標(biāo)要低一個數(shù)量級，只有30nT。如圖2所示，對霍爾效應(yīng)傳感器來說，可以在多個方向觀察到2mT的磁場讀數(shù)，而2mT的讀數(shù)可以代表從5°到60°的任何航向。雖然超采樣可以減少這種不確定性，但這種非常明顯的傳感器噪聲差異確實會導(dǎo)致很大的測量不確定性。這種噪聲差異和相關(guān)測量的不確定性將顯著影響9軸傳感器融合算法的性能表現(xiàn)。
圖2：傳感器旋轉(zhuǎn)90°時的磁場讀數(shù)
在9軸傳感器融合系統(tǒng)中，加速度計和磁力傳感器建立了一個長期的基準(zhǔn)用于校正零偏變化。但磁力傳感器讀數(shù)中的噪聲以及磁力傳感器類型對零偏校正的效果有顯著的影響。圖3再次顯示了隨時間改變的零偏變化，但這次畫出了未校正的、用霍爾效應(yīng)傳感器校正的、用永磁感應(yīng)傳感器校正的和理想輸出的圖形。值得注意的是，所用的傳感器融合算法對兩種傳感器來說是相同的。
圖3：隨時間改變的陀螺儀零偏，包括校正和未校正的情況
從圖3可以明顯看出，使用永磁感應(yīng)傳感器的9軸傳感器融合系統(tǒng)在盡量減小零偏變化方面做得比霍爾效應(yīng)傳感器要好。這種零偏漂移方面的改進(jìn)直接得益于永磁感應(yīng)傳感器低一個數(shù)量級的噪聲，因為霍爾效應(yīng)傳感器相對較高的噪聲將在傳感器融合算法中引入不確定性，進(jìn)而減弱算法控制零偏的能力。永磁感應(yīng)傳感器可以更好地控制零偏漂移的能力將顯著改善隨時間變化的航向性能，如圖8所示。我們在這里可以看到，與未校正系統(tǒng)相比，使用霍爾效應(yīng)傳感器的傳感器融合系統(tǒng)的長期性能在8分鐘內(nèi)減少航向誤差的效果高出2倍。但使用永磁感應(yīng)傳感器的傳感器融合系統(tǒng)與未校正系統(tǒng)相比可以減少航向誤差一個數(shù)量級，比基于霍爾效應(yīng)磁力傳感器的系統(tǒng)好5倍。
圖4：隨時間改變的航向誤差。
結(jié)語隨著使用永磁感應(yīng)式地磁傳感器代替霍爾效應(yīng)傳感器的9軸傳感系統(tǒng)的廣泛普及，精確定位移動所需的資源已經(jīng)就位。首先要理解精度和準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于目前的“移動接近”系統(tǒng)的運動跟蹤世界可能性，然后才能明白這個世界中的增強(qiáng)現(xiàn)實將更具無限可行性、游戲玩起來更直觀、基于位置的應(yīng)用也將更具魯棒性。
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