圖4：由於陀螺儀零偏變化引起的航向誤差。

3軸地磁傳感器

    地磁傳感器用於測量地球的磁場，進而推導出航向。曆史上曾用於羅盤的地磁傳感器如今被大批量用於種類廣泛的應用，包括汽車羅盤(在後視鏡中)、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於iPhone 3GS，它是美國首款包含羅盤並得到廣泛普及的智能手機。

● cilichuanganqidezhuyaowentishitamenceliangsuoyoucichang，bujinshidiqiucichang。liru
，xiangdianchihuohantieyuanjiandengxitongyuanjianjiangganraochuanganqifujindecichang。zhexiebeirenweishixitongneidegudingganrao，keyitongguoxiaozhunjinxingbuchang。

● 更大的問題是改變局部磁場會臨時性地幹擾航向信息。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(jian)築(zhu)物(wu)內(nei)的(de)雷(lei)達(da)等(deng)物(wu)件(jian)都(dou)會(hui)幹(gan)擾(rao)讀(du)數(shu)。補(bu)償(chang)這(zhe)些(xie)磁(ci)場(chang)和(he)其(qi)它(ta)瞬(shun)時(shi)地(di)磁(ci)異(yi)常(chang)要(yao)求(qiu)開(kai)發(fa)出(chu)複(fu)雜(za)的(de)算(suan)法(fa)，以(yi)便(bian)有(you)效(xiao)地(di)將(jiang)地(di)球(qiu)的(de)磁(ci)場(chang)與(yu)其(qi)它(ta)臨(lin)時(shi)性(xing)“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麵的主要優勢和問題。

    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軸的運動跟蹤係統
，其性能將遠好於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”係統剛剛開始普及。陀螺儀被確立為這些融合係統的主力
，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)由於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(dan)運(yun)動(dong)跟(gen)蹤(zong)的(de)最(zui)終(zhong)精(jing)度(du)直(zhi)接(jie)取(qu)決(jue)於(yu)來(lai)自(zi)各(ge)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)原(yuan)始(shi)輸(shu)入(ru)有(you)多(duo)好(hao)。正(zheng)如(ru)我(wo)們(men)將(jiang)要(yao)看(kan)到(dao)的(de)那(na)樣(yang)，並(bing)不(bu)是(shi)所(suo)有(you)地(di)磁(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)提(ti)供(gong)相(xiang)同(tong)的(de)結(jie)果(guo)。

    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(jia)格(ge)低(di)並(bing)且(qie)節(jie)省(sheng)功(gong)耗(hao)。但(dan)這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)同(tong)樣(yang)有(you)噪(zao)聲(sheng)

，很(hen)容(rong)易(yi)受(shou)其(qi)它(ta)磁(ci)場(chang)幹(gan)擾(rao)，這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)如(ru)果(guo)不(bu)校(xiao)正(zheng)將(jiang)限(xian)製(zhi)其(qi)向(xiang)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)提(ti)供(gong)正(zheng)確(que)航(hang)向(xiang)數(shu)據(ju)的(de)能(neng)力(li)。然(ran)而(er)

，如(ru)果(guo)能(neng)夠(gou)接(jie)受(shou)稍(shao)大(da)尺(chi)寸(cun)的(de)永(yong)磁(ci)感(gan)應(ying)式(shi)地(di)磁(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，就(jiu)可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)犧(xi)牲(sheng)成(cheng)本(ben)或(huo)功(gong)耗(hao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)獲(huo)得(de)顯(xian)著(zhu)改(gai)進(jin)的(de)噪(zao)聲(sheng)與(yu)分(fen)辨(bian)率(lv)性(xing)能(neng)。表(biao)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
，隻有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°derenhehangxiang。suiranchaocaiyangkeyijianshaozhezhongbuquedingxing，danzhezhongfeichangmingxiandechuanganqizaoshengchayiqueshihuidaozhihendadeceliangbuquedingxing。zhezhongzaoshengchayihexiangguanceliangdebuquedingxingjiangxianzhuyingxiang9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。

    前麵的圖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9zhouchuanganqironghexitongzhong，jiasudujihecilichuanganqijianlileyigechangqidejizhunyongyuxiaozhenglingpianbianhua。dancilichuanganqidushuzhongdezaoshengyijicilichuanganqileixingduilingpianxiaozhengdexiaoguoyouxianzhudeyingxiang。tu7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9zhouchuanganqironghexitongzaijinliangjianxiaolingpianbianhuafangmianzuodebihuoerxiaoyingchuanganqiyaohao。zhezhonglingpianpiaoyifangmiandegaijinzhijiedeyiyuyongciganyingchuanganqidiyigeshuliangjidezaosheng，yinweihuoerxiaoyingchuanganqixiangduijiaogaodezaoshengjiangzaichuanganqironghesuanfazhongyinrubuquedingxing
，jinerjianruosuanfakongzhilingpiandenengli。

    永磁感應傳感器可以更好地控製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。我們在這裏可以看到，與未校正係統相比，使用霍爾效應傳感器的傳感器融合係統的長期性能在8分鍾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係統與未校正係統相比可以減少航向誤差一個數量級，比基於霍爾效應磁力傳感器的係統好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軸傳感係統的廣泛普及
，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於目前的“移動接近”係統的運動跟蹤世界可能性
，然後才能明白這個世界中的增強現實將更具無限可行性、遊戲玩起來更直觀、基於位置的應用也將更具魯棒性。