【導讀】可穿戴設備的興起促使運動(dòng)傳感器技術(shù)遍地生花。例如智能手機、電視遙控器、視頻控制臺、個(gè)人訓練設備等等應用層出不窮。對于3軸地磁傳感器，可謂是可穿戴設備中的關(guān)鍵。本文就來(lái)為大家精講3軸地磁傳感器的大起底。
3軸地磁傳感器
地磁傳感器用于測量地球的磁場(chǎng)，進(jìn)而推導出航向。歷史上曾用于羅盤(pán)的地磁傳感器如今被大批量用于種類(lèi)廣泛的應用，包括汽車(chē)羅盤(pán)(在后視鏡中)、手表、雷達探測器、傳動(dòng)軸和機器人。然而，真正廣泛的采用起始于iPhone3GS，它是美國首款包含羅盤(pán)并得到廣泛普及的智能手機。
磁力傳感器的主要問(wèn)題是它們測量所有磁場(chǎng)，不僅是地球磁場(chǎng)。例如，像電池或含鐵元件等系統元件將干擾傳感器附近的磁場(chǎng)。這些被認為是系統內的固定干擾，可以通過(guò)校準進(jìn)行補償。
更大的問(wèn)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(kāi)過(guò)的汽車(chē)、附近的其它手機和電腦、窗框、建筑物內的雷達等物件都會(huì )干擾讀數。補償這些磁場(chǎng)和其它瞬時(shí)地磁異常要求開(kāi)發(fā)出復雜的算法，以便有效地將地球的磁場(chǎng)與其它臨時(shí)性“侵入”磁場(chǎng)區分開(kāi)來(lái)。
詳細了解地磁傳感器
在今天的消費電子產(chǎn)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(chǎng)的原因是體積小、價(jià)格低并且節省功耗。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(wèn)題如果不校正將限制其向陀螺儀提供正確航向數據的能力。然而，如果能夠接受稍大尺寸的永磁感應式地磁傳感器，就可以在不犧牲成本或功耗的情況下獲得顯著(zhù)改進(jìn)的噪聲與分辨率性能。表1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1：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(chǎng)強度為2.4mT數量級的固定位置旋轉時(shí)輸出的磁場(chǎng)讀數。在圖1中，傳感器旋轉了整整360°，而在圖2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1：當傳感器旋轉360°時(shí)的磁場(chǎng)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(gè)數量級，只有30nT。如圖2所示，對霍爾效應傳感器來(lái)說(shuō)，可以在多個(gè)方向觀(guān)察到2mT的磁場(chǎng)讀數，而2mT的讀數可以代表從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 )導致很大的測量不確定性。這種噪聲差異和相關(guān)測量的不確定性將顯著(zhù)影響9軸傳感器融合算法的性能表現。
圖2：傳感器旋轉90°時(shí)的磁場(chǎng)讀數
在9軸傳感器融合系統中，加速度計和磁力傳感器建立了一個(gè)長(cháng)期的基準用于校正零偏變化。但磁力傳感器讀數中的噪聲以及磁力傳感器類(lèi)型對零偏校正的效果有顯著(zhù)的影響。圖3再次顯示了隨時(shí)間改變的零偏變化，但這次畫(huà)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(lái)說(shuō)是相同的。
圖3：隨時(shí)間改變的陀螺儀零偏，包括校正和未校正的情況
從圖3可以明顯看出，使用永磁感應傳感器的9軸傳感器融合系統在盡量減小零偏變化方面做得比霍爾效應傳感器要好。這種零偏漂移方面的改進(jìn)直接得益于永磁感應傳感器低一個(gè)數量級的噪聲，因為霍爾效應傳感器相對較高的噪聲將在傳感器融合算法中引入不確定性，進(jìn)而減弱算法控制零偏的能力。永磁感應傳感器可以更好地控制零偏漂移的能力將顯著(zhù)改善隨時(shí)間變化的航向性能，如圖8所示。我們在這里可以看到，與未校正系統相比，使用霍爾效應傳感器的傳感器融合系統的長(cháng)期性能在8分鐘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系統與未校正系統相比可以減少航向誤差一個(gè)數量級，比基于霍爾效應磁力傳感器的系統好5倍。
圖4：隨時(shí)間改變的航向誤差。
結語(yǔ)隨著(zhù)使用永磁感應式地磁傳感器代替霍爾效應傳感器的9軸傳感系統的廣泛普及，精確定位移動(dòng)所需的資源已經(jīng)就位。首先要理解精度和準確度遠高于目前的“移動(dòng)接近”系統的運動(dòng)跟蹤世界可能性，然后才能明白這個(gè)世界中的增強現實(shí)將更具無(wú)限可行性、游戲玩起來(lái)更直觀(guān)、基于位置的應用也將更具魯棒性。
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