作者：Majeed Ahmad，特約作家

傳感器融合通過多個(gè)傳感器的組合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，正在迅速應(yīng)用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備等移動(dòng)設(shè)計(jì)中。傳感器融合平臺(tái)也為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 和虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 小工具等新興類別注入了新的活力。

對(duì)于初學(xué)者來說，了解傳感器融合和傳感器集線器之間的區(qū)別很重要。傳感器融合從所有傳感器獲取數(shù)據(jù)，并使用軟件算法交叉引用多個(gè)信息源以創(chuàng)建連貫的圖像。例如，它結(jié)合來自加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)，隨后為健身追蹤可穿戴設(shè)備提供運(yùn)動(dòng)上下文。

另一方面，傳感器集線器利用傳感器融合提供的信息并將其轉(zhuǎn)化為有意義的上下文。它通常是執(zhí)行專門任務(wù)的微控制器 (MCU) 或微處理器 (MPU)，例如在計(jì)步器中計(jì)算步數(shù)。

在過去的幾年里，傳感器融合技術(shù)以及傳感器集線器已經(jīng)改變了智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備、游戲和物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)。這使其成為優(yōu)化傳感器架構(gòu)的基本組成部分，力求為移動(dòng)用戶創(chuàng)造新體驗(yàn)。

這一切都始于智能手機(jī)開始整理來自加速度計(jì)和陀螺儀等傳感器的數(shù)據(jù)，用于在 iPhone 后時(shí)代迎合室內(nèi)導(dǎo)航和活動(dòng)監(jiān)控的應(yīng)用程序。從那時(shí)起，傳感器融合一直試圖在多個(gè)移動(dòng)平臺(tái)上協(xié)調(diào)不同的傳感器組合，從而創(chuàng)造新的用戶體驗(yàn)。

智能手機(jī)及其他幾乎所有高端 Android 手機(jī)現(xiàn)在都將傳感器融合作為加速度計(jì)、陀螺儀和其他傳感器的連接中心。首先，智能手機(jī)制造商正試圖在信號(hào)不可用或非常差的建筑物內(nèi)改進(jìn) GPS 位置跟蹤和傳感。

在這里，傳感器融合可以通過整理來自加速度計(jì)、陀螺儀和其他傳感器的數(shù)據(jù)來幫助跟蹤設(shè)備的確切位置。例如，氣壓傳感器的集成可以通過天氣預(yù)報(bào)、高度感應(yīng)和其他以位置為中心的功能來增強(qiáng)智能手機(jī)的功能。

因此，毫不奇怪，大多數(shù)新的智能手機(jī)設(shè)計(jì)都配備了多個(gè)傳感器以獲得準(zhǔn)確的室內(nèi)定位結(jié)果。

在移動(dòng)領(lǐng)域，傳感器融合技術(shù)的下一個(gè)前沿領(lǐng)域是不斷增長(zhǎng)的可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。在這里，傳感器融合正在成為跨越健身、醫(yī)療保健和生活方式市場(chǎng)的可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)差異化因素。

以高通公司專為兒童智能手表設(shè)計(jì)的Snapdragon Wear 2500芯片為例。它采用傳感器融合技術(shù)來提供位置跟蹤，而不是依賴獨(dú)立的 GPS 設(shè)備。該芯片具有內(nèi)置傳感器集線器和預(yù)集成的傳感器算法，它允許可穿戴設(shè)備制造商實(shí)施額外的傳感器。

功耗是緊湊型可穿戴設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題，它繼續(xù)推動(dòng)著節(jié)能算法的發(fā)展。然而，與此同時(shí)，傳感器融合算法在促進(jìn)可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)前所未有的精確度和準(zhǔn)確性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，這些設(shè)備服務(wù)于主動(dòng)運(yùn)動(dòng)、臨床試驗(yàn)以及 AR 和 VR 設(shè)備。

軟件補(bǔ)充算法，在傳感器融合設(shè)計(jì)中保持位置、方向和態(tài)勢(shì)感知，在為復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，定位和跟蹤算法可以從不完整的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生推論，引入冗余和容錯(cuò)，并推斷出類人的上下文信息。

這里值得一提的是，從事跟蹤和導(dǎo)航系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)人員通常會(huì)創(chuàng)建難以維護(hù)和重用的內(nèi)部工具。因此，像 MathWorks 這樣的公司正在提供工具集，允許工程師設(shè)計(jì)、模擬和分析融合來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

MathWorks的傳感器融合和跟蹤工具箱使工程師能夠探索多種設(shè)計(jì)，而無需編寫自定義庫(kù)。這有助于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法，該算法可以使用真實(shí)和合成數(shù)據(jù)評(píng)估融合架構(gòu)。然后是多對(duì)象跟蹤器、傳感器融合過濾器以及補(bǔ)充工具集的運(yùn)動(dòng)和傳感器模型。

MathWorks 傳感器融合和跟蹤工具箱中的多平臺(tái)雷達(dá)檢測(cè)生成功能。（圖片：MathWorks）

該工具集有助于為有源和無源傳感器（包括射頻、聲學(xué)、紅外、GPS 和慣性測(cè)量單元 (IMU) 傳感器）生成合成數(shù)據(jù)，并包括場(chǎng)景和軌跡生成工具。它還擴(kuò)展了基于 MATLAB 的工作流程，以幫助工程師為傳感器融合系統(tǒng)開發(fā)準(zhǔn)確的感知算法。

TDK 公司 InvenSense 等傳感器芯片供應(yīng)商也提供傳感器融合算法和運(yùn)行時(shí)校準(zhǔn)固件。這反過來又消除了對(duì)分立元件的需求，并保證校準(zhǔn)程序補(bǔ)充傳感器融合算法以提供精確和絕對(duì)定位。

同樣，傳感器供應(yīng)商 Bosch Sensortec 與軟件公司 Hillcrest Labs（?InterDigital, Inc.的子公司）合作，提供交鑰匙傳感器融合解決方案。例如，博世的BNO080?和 BNO085 模塊將三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和磁力計(jì)與在 Hillcrest 的 SH-2 固件上運(yùn)行的 32 位 Arm Cortex-M0+ 微控制器集成在一起。

Bosch 的 BNO085 SiP 模塊在 Hillcrest 的 SH-2 固件上運(yùn)行。（圖片：希爾克雷斯特實(shí)驗(yàn)室）

SH-2 中的 MotionEngine 軟件提供復(fù)雜的信號(hào)處理算法來處理傳感器數(shù)據(jù)并具有精確的實(shí)時(shí) 3D 方向、航向、校準(zhǔn)加速度和校準(zhǔn)角速度。MotionEngine 軟件采用高級(jí)校準(zhǔn)和傳感器融合，將單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)應(yīng)用，例如活動(dòng)跟蹤、情境感知、高級(jí)游戲和頭部跟蹤。

創(chuàng)新溫床傳感器幾乎無處不在，這使得傳感器融合成為移動(dòng)設(shè)計(jì)配方中的關(guān)鍵組成部分。因此，隨著更新的應(yīng)用登陸智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備和其他移動(dòng)平臺(tái)，傳感器融合技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展。

傳感器融合在智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)計(jì)中找到家已經(jīng)十多年了，但事實(shí)證明，傳感器融合仍然可以做得更多。例如，傳感器融合技術(shù)在改善傳感器返回的經(jīng)常嘈雜和不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)方面發(fā)揮著重要作用。當(dāng)聲控平臺(tái)加入傳感器潮流時(shí)，這尤其有利，這大大減少了處理時(shí)間。然后是支持藍(lán)牙的可聽和可穿戴設(shè)備，它們?yōu)?Alexa 語音服務(wù)添加了端到端支持。

傳感器融合還將在防止電池耗盡和確保這些始終在線和始終收聽語音應(yīng)用中的觸發(fā)詞效率方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。與此同時(shí)，新的基于位置的服務(wù)和基于動(dòng)作的游戲環(huán)境將繼續(xù)推動(dòng)傳感器融合技術(shù)走向創(chuàng)新的新時(shí)代。

審核編輯 黃昊宇