就在過去兩年中，運動傳感技術已經開始遍地開花——視頻控制臺、智能手機、電視遙控器和個人訓練設備——就在我們給手機照片打上地理標簽、玩視頻游戲以及通過電視機和有線電視機頂盒進行頻道沖浪之時。這些東西知道我們身處何方、我們的目標是什么、我們向哪里移動——上、下、四周和側面。使這些成為可能的是大量更小、更便宜和更快的新型傳感器。在經過最佳集成后，它們能通過空間和時間精確地跟蹤我們的運動。這些傳感器套件(加速度計、陀螺儀和磁力傳感器)在跟蹤運動方面具有令人吃驚的能力，特別是與如今無所不在的GPS結合在一起之后。

但這些微型傳感器的潛力仍未被充分發掘，這里兩個簡單的原因。首先，提取出它們的數據并將這些數據整合成精確可靠的指向和跟蹤信息是一種比大多數人想象的更具挑戰性的算法操作，經常需要耗費大量人力時間。其次，在硬件和應用工程師之間有一個普遍(但錯誤)的假設，即大多數傳感器提供相似的性能水平，因此通常來自傳感器的數據不能滿足他們的應用需求。

一般集成進消費產品的運動檢測傳感器包括3軸陀螺儀、3軸加速度計和3軸地磁傳感器。在運動跟蹤和絕對方向方面每種傳感器都有自己固有的強項和弱點。最近，傳感器“融合”正在進入廣大消費產品，成為一種克服單種傳感器弱點的有效方法。傳感器融合是一種復雜的軟件，它將來自各種傳感器的輸入組合在一起，產生一個更加精確的運動檢測結果。這種軟件通常包含復雜的算法，如果正確實現的話可以綜合考慮幾百個變量。

3軸加速度傳感器

加速度計通過測量給定直線軸向的彈簧上的力來檢測直線加速度和重力矢量。加速度計是第一種出現在大批量應用中的MEMS傳感器，可以用來實現汽車中的氣囊部署、照相機中的圖像防抖和筆記本中的自由落體檢測等功能。任天堂的Wii游戲機是第一種引入加速度計作為用戶輸入設備的主要消費產品，可以提供手勢識別、基本的運動跟蹤和控制器定位等功能。現在基于許多理由，加速度計已經在智能手機和平板電腦中十分普及，包括檢測設備朝向、將屏幕從豎屏調整到橫屏然后再調整回來等功能。

加速度計在運動跟蹤方面有兩個主要的缺點，即：

● 加速度計不能建立絕對或相對的航向。當安裝在一個固定的設備中時，3軸加速度計可以測量單個加速度軸上的加速度。如圖1所示，當處于固定狀態時，可以根據垂直重力加速度矢量計算出滾動和傾斜角度。然而，航向是圍繞Z軸得到的，無法從重力矢量計算出航向。因此，加速度計不能提供航向。

圖1：重力矢量和圍繞軸的航向、傾斜和滾動。

● 加速度計對運動太過敏感，極易導致手的抖動。在短時間內這是非常令人惱火的，因為它意味著光標或屏幕渲染的目標也會抖動。幾分鐘以上的抖動將導致顯著的累積方向或位置誤差，特別是當加速度計的噪聲與抖動在相同數量級時。目前廣泛使用的低成本消費級加速度計的噪聲要比價格更高、體積更大、功耗更高的工業級加速度計大得多，如圖2所示。

圖2：消費級和工業級加速度計噪聲。

3軸陀螺儀傳感器

陀螺儀(也稱為回轉儀或角速度傳感器)可以測量圍繞軸的旋轉角速度，并通過推導得到圍繞軸的旋轉角度。從20世紀早期推出以來，陀螺儀已經從巨大的銅制臺式模型縮小到今天的低成本低功耗小型MEMS芯片，可以安裝在指甲蓋下方。消費級陀螺儀于90年代中期最先集成進Gyration公司的Air Mouse，后來MEMS陀螺儀被廣泛用于羅技的MX Air定點設備和LG的智能電視機遙控器等產品中。任天堂的Wii通過在Motion Plus控制器中增加陀螺儀進一步增強了游戲體驗。陀螺儀還被添加進iPhone 3GS中，用于擴展游戲潛能，改進基于位置的服務(LBS)功能的可用性。

就跟加速度計一樣，陀螺儀也有不足：

● 陀螺儀不能提供絕對基準。因為這個原因，它們通常與加速度計一起使用，由加速度計提供向“下”的絕對基準，從而也為傾斜和滾動讀數提供絕對基準。陀螺儀經常還要與地磁傳感器一起使用，由后者提供航向的絕對基準。

● 陀螺儀的零偏或零偏移會隨時間漂移。如果不及時校正，將成為系統誤差的一個主要來源。例如，即使系統實際處于停止狀態，陀螺儀輸出也會報告系統在移動。作為參考，錯誤零偏讀數為0.07°，對消費級陀螺儀來說這是分辨率極限，在30秒后將導致2.1°的誤差。圖3顯示了在8分鐘周期內典型的未校正零偏變化，而圖4顯示了這種誤差是如何轉變成航向的。

圖3：陀螺儀隨時間的偏移變化。

圖4：由于陀螺儀零偏變化引起的航向誤差。

3軸地磁傳感器

地磁傳感器用于測量地球的磁場，進而推導出航向。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用，包括汽車羅盤(在后視鏡中)、手表、雷達探測器、傳動軸和機器人。然而，真正廣泛的采用起始于iPhone 3GS，它是美國首款包含羅盤并得到廣泛普及的智能手機。

● 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元件將干擾傳感器附近的磁場。這些被認為是系統內的固定干擾，可以通過校準進行補償。

● 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、附近的其它手機和電腦、窗框、建筑物內的雷達等物件都會干擾讀數。補償這些磁場和其它瞬時地磁異常要求開發出復雜的算法，以便有效地將地球的磁場與其它臨時性“侵入”磁場區分開來。

傳感器融合——將傳感器轉變為運動跟蹤

如前所述，加速度計、陀螺儀和地磁傳感器每個都有各自的優缺點。下表1總結了每種傳感器在運動跟蹤方面的主要優勢和問題。

正如表1總結的那樣，一種傳感器的優勢常常是另一種傳感器的問題，反之亦然。通過智能地“融合”它們的輸出，依靠一個輸出調整或代替另一個的結果，我們可以創建出一個9軸的運動跟蹤系統，其性能將遠好于這些器件的簡單累加。

表1：傳感器優勢和問題總結。

今天，9軸“傳感器融合”系統剛剛開始普及。陀螺儀被確立為這些融合系統的主力，因為它具有良好的短期跟蹤精度、快速的響應和更新速率以及對非重力加速度的免疫。陀螺儀的問題——1)沒有絕對基準2)由于零偏漂移而具有嚴重的航向漂移——可以通過聯合運用加速度計和地磁傳感器一起解決。地磁傳感器和加速度計可以給陀螺儀提供航向、傾斜和滾動用的長期絕對基準。

但運動跟蹤的最終精度直接取決于來自各個傳感器的原始輸入有多好。正如我們將要看到的那樣，并不是所有地磁傳感器都提供相同的結果。

在今天的消費電子產品中使用最廣泛的地磁傳感器是霍爾效應傳感器。這種傳感器主導消費市場的原因是體積小、價格低并且節省功耗。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據的能力。然而，如果能夠接受稍大尺寸的永磁感應式地磁傳感器，就可以在不犧牲成本或功耗的情況下獲得顯著改進的噪聲與分辨率性能。表2顯示了霍爾效應和永磁感應傳感器的規格。注意，永磁感應傳感器可以提供明顯更低的噪聲和更高的分辨率。

表2：霍爾效應和永磁感應傳感器規格。

下圖顯示了地磁傳感器在磁場強度為2.4mT數量級的固定位置旋轉時輸出的磁場讀數。在圖5中，傳感器旋轉了整整360°，而在圖6中，傳感器從0°旋轉到90°。這兩張圖都繪出了霍爾效應傳感器、永磁感應傳感器和理想傳感器的試驗數據。

圖5：當傳感器旋轉360°時的磁場讀數。

從圖中可以看出，霍爾效應傳感器的噪聲要比永磁感應傳感器大得多。這與器件參數規格一致，因為霍爾效應傳感器的噪聲指標為500nT，而永磁感應傳感器噪聲指標要低一個數量級，只有30nT。如圖6所示，對霍爾效應傳感器來說，可以在多個方向觀察到2mT的磁場讀數，而2mT的讀數可以代表從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致很大的測量不確定性。這種噪聲差異和相關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。

圖6：傳感器旋轉90°時的磁場讀數。

前面的圖3給出了隨時間變化的陀螺儀零偏，它代表了長期航向漂移的根本原因。在9軸傳感器融合系統中，加速度計和磁力傳感器建立了一個長期的基準用于校正零偏變化。但磁力傳感器讀數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7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、用霍爾效應傳感器校正的、用永磁感應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7：隨時間改變的陀螺儀零偏，包括校正和未校正的情況。

從圖7可以明顯看出，使用永磁感應傳感器的9軸傳感器融合系統在盡量減小零偏變化方面做得比霍爾效應傳感器要好。這種零偏漂移方面的改進直接得益于永磁感應傳感器低一個數量級的噪聲，因為霍爾效應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，進而減弱算法控制零偏的能力。

永磁感應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，與未校正系統相比，使用霍爾效應傳感器的傳感器融合系統的長期性能在8分鐘內減少航向誤差的效果高出2倍。但使用永磁感應傳感器的傳感器融合系統與未校正系統相比可以減少航向誤差一個數量級，比基于霍爾效應磁力傳感器的系統好5倍。

圖8：隨時間改變的航向誤差。

本文小結

隨著使用永磁感應式地磁傳感器代替霍爾效應傳感器的9軸傳感系統的廣泛普及，精確定位移動所需的資源已經就位。首先要理解精度和準確度遠高于目前的“移動接近”系統的運動跟蹤世界可能性，然后才能明白這個世界中的增強現實將更具無限可行性、游戲玩起來更直觀、基于位置的應用也將更具魯棒性。