IMU 如何用于傳感器融合

文章出處：新聞資訊責(zé)任編輯：深圳市廣陵達(dá)科技有限公司發(fā)表時(shí)間：2024-12-04 09:15:24

運(yùn)動(dòng)傳感設(shè)備無(wú)處不在，存在于我們?nèi)粘Ｊ褂玫亩喾N電子產(chǎn)品中。運(yùn)動(dòng)傳感器位于耳塞中——當(dāng)我們將它們從耳朵中取出時(shí)，會(huì)注意到輕擊以改變歌曲或暫停音樂(lè)。它們用于游戲和訓(xùn)練中使用的虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 耳機(jī)中的頭部跟蹤。運(yùn)動(dòng)傳感器支持游戲遙控器（用于定向）、消費(fèi)級(jí)機(jī)器人（用于航向）和手機(jī)（也用于定向）。這些設(shè)備的傳感由慣性測(cè)量單元 (IMU) 供電。 IMU 傳感器存在于許多常用的消費(fèi)電子產(chǎn)品中，如前面列出的那些。它們的能力是通過(guò)傳感器融合來(lái)解鎖的。在本文中，我們將探討什么是傳感器融合以及它可以做什么。

什么是 IMU 傳感器？

在我們討論傳感器融合之前，快速回顧一下慣性測(cè)量單元 (IMU) 似乎是相關(guān)的。IMU 是一種慣性傳感器，通常由加速度計(jì)和陀螺儀組成，有時(shí)還包括磁力計(jì)。通過(guò)查看這些傳感器的數(shù)據(jù)，設(shè)備能夠更完整地了解其方向和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

? 加速度計(jì)測(cè)量單個(gè)方向的加速度（速度變化），就像您在汽車中踩油門時(shí)感受到的力一樣。靜止時(shí)，加速度計(jì)測(cè)量重力。

? 陀螺儀測(cè)量繞其三個(gè)軸的角速度。它在任何給定時(shí)刻輸出其旋轉(zhuǎn)偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)。

? 磁力計(jì)很簡(jiǎn)單，可以測(cè)量磁場(chǎng)。通過(guò)在穩(wěn)定磁場(chǎng)中進(jìn)行適當(dāng)?shù)男?zhǔn)，它可以檢測(cè)地球磁場(chǎng)的波動(dòng)。通過(guò)這些波動(dòng)，它找到了朝向地球磁北的矢量，從而給出了絕對(duì)航向。

然后，傳感器的信息用于保持無(wú)人機(jī)的平衡、改善家用機(jī)器人吸塵器的航向、改變智能手機(jī)屏幕的方向以及其他與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的應(yīng)用程序。

IMU 如何用于傳感器融合

現(xiàn)在我們了解了 IMU 的組成部分、它與傳感器融合有何關(guān)系以及我們?yōu)楹侮P(guān)心？嗯，傳感器本身并不那么“智能”。他們生成原始數(shù)據(jù)。但這些原始數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)處理和打包才能變得可操作。

IMU 中的傳感器類似于閱讀您的患者檔案的專科醫(yī)生 - 他們都有自己的意見，并且他們的專業(yè)知識(shí)為他們提供了其他人沒(méi)有的見解，但由您來(lái)處理他們的意見以做出最終決定。例如，如果加速計(jì)表明重力正在從向下變?yōu)楦降慕嵌?，但陀螺儀顯示幾乎沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，您相信哪一個(gè)？那么，在這種情況下，陀螺儀應(yīng)該更值得信賴，因?yàn)樗皇芡饬Φ挠绊?。由于陀螺儀告訴我們用戶坐標(biāo)系沒(méi)有改變，因此可以肯定地說(shuō)該設(shè)備正在持續(xù)加速，就像一輛直線行駛的汽車一樣。

在另一種情況下，如果陀螺儀顯示出較小且一致的角速度，但加速計(jì)和磁力計(jì)顯示設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，那么您可以相信兩位“醫(yī)生”的一致意見。然后您可以推斷出存在一些陀螺儀偏差，從而給出了錯(cuò)誤的輸出。

這些示例旨在展示傳感器融合對(duì)于理解基于傳感器信息融合的最佳輸出至關(guān)重要。這可用于確定準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)、方向和航向信息。

傳感器融合

探索可能性

與傳感器融合軟件結(jié)合使用時(shí)，IMU 不僅可用于更準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)、方向和航向，還可用于特殊功能。 IMU 數(shù)據(jù)的周到融合可以通過(guò)預(yù)測(cè)性頭部跟蹤來(lái)創(chuàng)建流暢的 XR 體驗(yàn)，從而最大限度地減少延遲影響。對(duì)于無(wú)線演示或電視遙控器，傳感器融合可以直接將 3D 控制器運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為屏幕上直觀的 2D 運(yùn)動(dòng)。加速度計(jì)和陀螺儀傳感器的組合還可以檢測(cè)復(fù)雜的空中形狀和手勢(shì)。在人類導(dǎo)航中，通過(guò)分析加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)，傳感器融合可以估計(jì)某人步行的方向和距離。

傳感器融合不一定要僅通過(guò) IMU 來(lái)完成，但通常是從 IMU 開始的。在 XR 空間中，控制器方向與外部攝像頭線性位置的融合可以創(chuàng)建有效的由內(nèi)而外的 6 自由度系統(tǒng)。對(duì)于機(jī)器人導(dǎo)航，IMU 與光流和車輪編碼器數(shù)據(jù)的融合可創(chuàng)建準(zhǔn)確且強(qiáng)大的航位推算。如果涉及運(yùn)動(dòng)，傳感器融合可能會(huì)有所幫助。

傳感器表征和校準(zhǔn)

傳感器融合的另一部分是確保傳感器得到適當(dāng)校準(zhǔn)，如 IMU 傳感器受到校準(zhǔn)的強(qiáng)烈影響。傳感器表征是在受控條件下從傳感器進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程。這些測(cè)量結(jié)果可用于微調(diào)傳感器對(duì)各種溫度、操作模式和運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)。一旦傳感器被正確表征，傳感器融合可以幫助確保其性能得到優(yōu)化。

傳感器表征過(guò)程

為了正確表征傳感器，需要將統(tǒng)計(jì)上顯著數(shù)量的傳感器放置在某種允許通信以改變模式和記錄數(shù)據(jù)的板上。然后應(yīng)將該板放置在受控環(huán)境中。例如，它們可以安裝在兩軸萬(wàn)向節(jié)電機(jī)上，使其能夠在所有三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上移動(dòng)。通過(guò)將這個(gè)裝置放入溫度室內(nèi)，我們可以迭代不同溫度、位置和操作模式的排列。了解每個(gè)高精度電機(jī)如何運(yùn)動(dòng)、溫度變化以及運(yùn)行模式后，我們可以獲得大量傳感器信息來(lái)表征傳感器。為了表征磁力計(jì)，可以將電路板放置在亥姆霍茲線圈中以產(chǎn)生受控磁場(chǎng)。

為了測(cè)試這些傳感器在其使用壽命內(nèi)的表現(xiàn)，傳感器還可以通過(guò)將其暴露在極端的高溫和潮濕條件下來(lái)進(jìn)行人工老化過(guò)程。然后，可以使用老化的傳感器運(yùn)行相同的測(cè)試來(lái)收集更新的數(shù)據(jù)。

可以使用所有這些綜合數(shù)據(jù)創(chuàng)建傳感器模型，從而形成典型（標(biāo)稱）傳感器的模型，并隨后優(yōu)化其性能。

通過(guò)了解傳感器的行為方式，還可以調(diào)整加速度計(jì)和陀螺儀中的傳感器偏差。這些傳感器偏差與傳感器在靜止時(shí)看到的內(nèi)容有關(guān)。如果這聽起來(lái)很熟悉，那是因?yàn)檫@是 IMU/醫(yī)生類比部分中討論的第二個(gè)想法。對(duì)這些進(jìn)行調(diào)整可能看起來(lái)就像偏移一樣簡(jiǎn)單，但這些偏差可能會(huì)隨著溫度而變化，并且同一批次的同一傳感器會(huì)表現(xiàn)出不同的行為。這種偏差誤差非常顯著，超過(guò)了尺度誤差之外的大多數(shù)其他誤差。然而，通過(guò)適當(dāng)?shù)膫鞲衅魅诤纤惴?，可以在設(shè)備使用時(shí)動(dòng)態(tài)地完成這種校準(zhǔn)。