各類運(yùn)動(dòng)傳感器工作原理揭秘

3軸地磁傳感器

地磁傳感器用于測(cè)量地球的磁場(chǎng)，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(cè)器、傳動(dòng)軸和機(jī)器人。然而，真正廣泛的采用起始于iPhone 3GS，它是美國(guó)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(cè)量所有磁場(chǎng)，不僅是地球磁場(chǎng)。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(chǎng)。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(chǎng)會(huì)臨時(shí)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(huì)干擾讀數(shù)。補(bǔ)償這些磁場(chǎng)和其它瞬時(shí)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(chǎng)與其它臨時(shí)性“侵入”磁場(chǎng)區(qū)分開來。

傳感器融合——將傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)跟蹤

如前所述，加速度計(jì)、陀螺儀和地磁傳感器每個(gè)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。下表1總結(jié)了每種傳感器在運(yùn)動(dòng)跟蹤方面的主要優(yōu)勢(shì)和問題。

正如表1總結(jié)的那樣，一種傳感器的優(yōu)勢(shì)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(gè)輸出調(diào)整或代替另一個(gè)的結(jié)果，我們可以創(chuàng)建出一個(gè)9軸的運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，其性能將遠(yuǎn)好于這些器件的簡(jiǎn)單累加。

表1：傳感器優(yōu)勢(shì)和問題總結(jié)。

今天，9軸“傳感器融合”系統(tǒng)剛剛開始普及。陀螺儀被確立為這些融合系統(tǒng)的主力，因?yàn)樗哂辛己玫亩唐诟櫨?、快速的響?yīng)和更新速率以及對(duì)非重力加速度的免疫。陀螺儀的問題——1)沒有絕對(duì)基準(zhǔn)2)由于零偏漂移而具有嚴(yán)重的航向漂移——可以通過聯(lián)合運(yùn)用加速度計(jì)和地磁傳感器一起解決。地磁傳感器和加速度計(jì)可以給陀螺儀提供航向、傾斜和滾動(dòng)用的長(zhǎng)期絕對(duì)基準(zhǔn)。

但運(yùn)動(dòng)跟蹤的最終精度直接取決于來自各個(gè)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(jié)果。

在今天的消費(fèi)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(fèi)市場(chǎng)的原因是體積小、價(jià)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(chǎng)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2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2：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(chǎng)強(qiáng)度為2.4mT數(shù)量級(jí)的固定位置旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出的磁場(chǎng)讀數(shù)。在圖5中，傳感器旋轉(zhuǎn)了整整360°，而在圖6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(yàn)數(shù)據(jù)。

圖5：當(dāng)傳感器旋轉(zhuǎn)360°時(shí)的磁場(chǎng)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?yàn)榛魻栃?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(gè)數(shù)量級(jí)，只有30nT。如圖6所示，對(duì)霍爾效應(yīng)傳感器來說，可以在多個(gè)方向觀察到2mT的磁場(chǎng)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(shí)會(huì)導(dǎo)致很大的測(cè)量不確定性。這種噪聲差異和相關(guān)測(cè)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6：傳感器旋轉(zhuǎn)90°時(shí)的磁場(chǎng)讀數(shù)。