與MEMS的傳感器融合：50,000英尺的視圖

傳感器融合 - 來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)的智能組合，以提高應(yīng)用或系統(tǒng)性能 - 使MEMS行業(yè)充滿希望。具有潛在吸引力的優(yōu)勢(shì)包括能夠滿足或超越異構(gòu)嵌入式系統(tǒng)（包括移動(dòng)手機(jī)和平板電腦）的功耗，性能和成本要求 - 傳感器融合正在迅速進(jìn)入商業(yè)化階段。

我們對(duì)幾家MEMS工業(yè)集團(tuán)（MIG）成員公司就其各自的傳感器融合方法進(jìn)行了調(diào)查，展示了解決方案的行業(yè)快照。對(duì)于STMicroelectronics的MEMS產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Jay Esfandyari，“傳感器融合使用一組數(shù)字濾波算法來(lái)彌補(bǔ)各個(gè)傳感器輸出精確動(dòng)態(tài)信息的缺點(diǎn)，例如可能用于基于位置的傳感器�！彪m然“傳感器融合”在技術(shù)詞典中占據(jù)了一席之地，但“多傳感器數(shù)據(jù)融合”更準(zhǔn)確地描述了這一功能。

Movea全球營(yíng)銷經(jīng)理DaveRothenberg加入ST的數(shù)據(jù)融合“陣營(yíng)”。他解釋說(shuō)，隨著“其他傳感器在設(shè)備中越來(lái)越常用，我們也看到了支持新數(shù)據(jù)源的需求。數(shù)據(jù)融合不僅包括來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，還包括來(lái)自地圖數(shù)據(jù)和生物力學(xué)數(shù)據(jù)等來(lái)源的數(shù)據(jù)�！�

根據(jù)飛思卡爾半導(dǎo)體系統(tǒng)工程師Mike Stanley的說(shuō)法，在傳感器融合方面，整體大于其各部分的總和�！皞鞲衅魅诤献屧O(shè)計(jì)師可以權(quán)衡各種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)更大的優(yōu)化，”他指出�！袄�用傳感器之間已知的數(shù)據(jù)冗余并利用系統(tǒng)傳遞函數(shù)，動(dòng)力學(xué)或運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，傳感器融合提高了計(jì)算結(jié)果的整體質(zhì)量和噪聲水平�！�

Kionix營(yíng)銷總監(jiān)EdBrachocki確定了傳感器融合的技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素�！耙苿�(dòng)操作系統(tǒng)，如微軟Windows 8和谷歌Android，”他表示，“越來(lái)越多地支持使用多個(gè)傳感器的應(yīng)用程序。他們正在推動(dòng)對(duì)靈活，可擴(kuò)展的軟件解決方案的需求，這些解決方案允許對(duì)資源進(jìn)行智能管理�！�

作為更大的MEMS生態(tài)系統(tǒng)的成員，這些MIG成員在解釋“它是什么？”時(shí)分享了很多共性。和“為什么？” 傳感器/數(shù)據(jù)融合。但它是“它是怎么回事？” 這揭示了一些有趣的變化。

融合庫(kù)

博世Sensortec的電子羅盤傳感器融合庫(kù)支持3軸地磁傳感器和3軸加速度計(jì)的組合。該軟件支持6個(gè)自由度（DOF），提供傾斜補(bǔ)償，校準(zhǔn)電子羅盤，并校正磁偏移和加速度計(jì)輸出數(shù)據(jù)。

在2012年國(guó)際消費(fèi)電子展上，博世Sensortec通過(guò)增加對(duì)其新型消費(fèi)者3軸陀螺儀的支持，將其產(chǎn)品從6軸解決方案擴(kuò)展到完整的9 DOF傳感器融合庫(kù)。傳感器融合軟件為制造商提供了完整的即插即用系統(tǒng)解決方案，用于導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)控制。

博世Sensortec為客戶提供適用于各種Android，Windows Phone和其他操作系統(tǒng)架構(gòu)的傳感器融合解決方案的軟件庫(kù)版本。

博世傳感器全球營(yíng)銷總監(jiān)Leopold Beer表示，傳感器融合的好處是雙重的：“智能傳感器融合軟件不僅將原始傳感器數(shù)據(jù)添加到一個(gè)系統(tǒng)中，還通過(guò)高級(jí)算法增強(qiáng)了最終輸出。使設(shè)計(jì)人員擺脫在單一應(yīng)用中集成異構(gòu)傳感器的挑戰(zhàn)，從而加快設(shè)計(jì)到交付周期�！�

融合代碼

對(duì)于其磁羅盤，飛思卡爾提供先進(jìn)的6軸（加速度計(jì)和磁力計(jì)）融合代碼。該公司包括硬/軟鐵磁補(bǔ)償解決方案，可自動(dòng)糾正由多種形式的磁失真引起的誤差。他們還提供直接在MMA955xL智能運(yùn)動(dòng)感應(yīng)平臺(tái)上運(yùn)行的測(cè)距代碼。

用于飛思卡爾基本電子羅盤的傳感器融合軟件（稱為Ecompass）在源代碼中提供，僅供飛思卡爾的Xtrinsic傳感器使用。計(jì)步器和高級(jí)磁力計(jì)補(bǔ)償程序僅保留用于飛思卡爾產(chǎn)品。

飛思卡爾正在開發(fā)一種9軸解決方案，該解決方案將利用陀螺儀補(bǔ)償磁力計(jì)和加速度計(jì)讀數(shù)。2012年，該公司將與Android / Windows堆棧中的更高級(jí)別接口，以提供基于位置的服務(wù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和其他高級(jí)應(yīng)用程序的信息（參見圖1）。

圖1：飛思卡爾的Xtrinsic傳感器融合算法使設(shè)計(jì)人員能夠利用需要多種傳感技術(shù)的智能手機(jī)，平板電腦和其他智能移動(dòng)設(shè)備擴(kuò)展用戶體驗(yàn)，并轉(zhuǎn)向智能傳感系統(tǒng)。

可擴(kuò)展融合

在2012國(guó)際消費(fèi)電子展上，Kionix推出了傳感器融合解決方案。完全可擴(kuò)展，新的傳感器融合軟件可用于加速度計(jì)和磁力計(jì)（AM），加速度計(jì)和陀螺儀（AG），以及加速度計(jì)，磁力計(jì)和陀螺儀（AMG）組合。Kionix軟件面向智能手機(jī)，平板電腦和其他移動(dòng)設(shè)備，支持實(shí)時(shí)，浮點(diǎn)和32位手機(jī)操作系統(tǒng) - 包括Android和iCore Windows 8。

新軟件可與兼容的Kionix傳感器一起使用。它還支持第三方傳感器以及第三方或定制開發(fā)的軟件，用于手勢(shì)識(shí)別，活動(dòng)監(jiān)控或其他所需功能。

融合套件

意法半導(dǎo)體的iNEMO發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器融合套件基于卡爾曼濾波器理論，采用一套自適應(yīng)預(yù)測(cè)和濾波算法，可以識(shí)別來(lái)自多個(gè)傳感設(shè)備的所有復(fù)雜信息，包括加速度計(jì)，陀螺儀（圖2），羅盤和壓力傳感器。

圖2：iNEMO Engine Sensor Fusion套件支持STMicroelectronics陀螺儀等復(fù)雜設(shè)備，此處以橫截面顯示，以確保高精度和高分辨率。

該軟件可自動(dòng)校正傳感器之間的測(cè)量失真，不準(zhǔn)確性和干擾，從而提高運(yùn)動(dòng)感應(yīng)真實(shí)感。意法半導(dǎo)體的iNEMO引擎?zhèn)鞲衅魅诤咸准�包括iNEMO Engine Lite，一個(gè)用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)評(píng)估的免費(fèi)軟件庫(kù)，以及iNEMO Engine Pro，這是一個(gè)編譯軟件庫(kù)，具有用于多傳感器輸出處理的數(shù)據(jù)融合算法，可針對(duì)不同的操作系統(tǒng)進(jìn)行定制和硬件平臺(tái)。

與ST和第三方傳感器配合使用的iNEMO是“增值元件，購(gòu)買了與ST傳感器一起使用的iNEMO引擎”。

不可知融合

Movea在傳感器供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)中處于獨(dú)特地位。Rothenberg解釋說(shuō)，該公司“與傳感器無(wú)關(guān)，與其產(chǎn)品的多個(gè)版本中的所有主要傳感器供應(yīng)商合作。”

他深入了解了Movea的軟件解決方案：“運(yùn)動(dòng)化學(xué)”，通過(guò)該解決方案，它確定了人體運(yùn)動(dòng)的基本要素�！斑@些'原子'元素可以結(jié)合起來(lái)創(chuàng)造更豐富，更復(fù)雜，最終用戶運(yùn)動(dòng)特征的分子。然后我們開發(fā)一個(gè)靈活的'化學(xué)'框架，其中包含允許我們和我們的客戶快速創(chuàng)建新的高價(jià)值原型的工具功能通常在幾天之內(nèi)�！�

當(dāng)被問(wèn)及傳感器融合將如何演變時(shí)，Rothenberg預(yù)測(cè)移動(dòng)設(shè)備將發(fā)展為具有不同傳感器的“傳感器集線器”。他補(bǔ)充說(shuō)，除了加速度計(jì)，磁力計(jì)和陀螺儀之外，Movea還在處理壓力和聲音。

一個(gè)好的開始

隨著MEMS運(yùn)動(dòng)傳感硬件和軟件供應(yīng)商為市場(chǎng)帶來(lái)豐富的傳感器/數(shù)據(jù)融合解決方案，OEM將更好地為其終端用戶應(yīng)用中的動(dòng)作感應(yīng)功能提供更大的便利性。然而，最終消費(fèi)者將成為最終的贏家，因?yàn)榻�期的手機(jī)/平板電腦/電子閱讀器/游戲控制器將以我們剛剛開始想象的方式吸引他們。

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