各类运动传感器工作原理揭秘

就在过去两年中，运动传感技术已经开始遍地开花——视频控制台、智能手机、电视遥控器和个人训练设备——就在我们给手机照片打上地理标签、玩视频游戏以及通过电视机和有线电视机顶盒进行频道冲浪之时。这些东西知道我们身处何方、我们的目标是什么、我们向哪里移动——上、下、四周和侧面。使这些成为可能的是大量更小、更便宜和更快的新型传感器。在经过最佳集成后，它们能通过空间和时间精确地跟踪我们的运动。这些传感器套件(加速度计、陀螺仪和磁力传感器)在跟踪运动方面具有令人吃惊的能力，特别是与如今无所不在的GPS结合在一起之后。

但这些微型传感器的潜力仍未被充分发掘，这里两个简单的原因。首先，提取出它们的数据并将这些数据整合成精确可靠的指向和跟踪信息是一种比大多数人想象的更具挑战性的算法操作，经常需要耗费大量人力时间。其次，在硬件和应用工程师之间有一个普遍(但错误)的假设，即大多数传感器提供相似的性能水平，因此通常来自传感器的数据不能满足他们的应用需求。

一般集成进消费产品的运动检测传感器包括3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴地磁传感器。在运动跟踪和绝对方向方面每种传感器都有自己固有的强项和弱点。最近，传感器“融合”正在进入广大消费产品，成为一种克服单种传感器弱点的有效方法。传感器融合是一种复杂的软件，它将来自各种传感器的输入组合在一起，产生一个更加精确的运动检测结果。这种软件通常包含复杂的算法，如果正确实现的话可以综合考虑几百个变量。

3轴加速度传感器

加速度计通过测量给定直线轴向的弹簧上的力来检测直线加速度和重力矢量。加速度计是第一种出现在大批量应用中的MEMS传感器，可以用来实现汽车中的气囊部署、照相机中的图像防抖和笔记本中的自由落体检测等功能。任天堂的Wii游戏机是第一种引入加速度计作为用户输入设备的主要消费产品，可以提供手势识别、基本的运动跟踪和控制器定位等功能。现在基于许多理由，加速度计已经在智能手机和平板电脑中十分普及，包括检测设备朝向、将屏幕从竖屏调整到横屏然后再调整回来等功能。

加速度计在运动跟踪方面有两个主要的缺点，即：

● 加速度计不能建立绝对或相对的航向。当安装在一个固定的设备中时，3轴加速度计可以测量单个加速度轴上的加速度。如图1所示，当处于固定状态时，可以根据垂直重力加速度矢量计算出滚动和倾斜角度。然而，航向是围绕Z轴得到的，无法从重力矢量计算出航向。因此，加速度计不能提供航向。

图1：重力矢量和围绕轴的航向、倾斜和滚动。

● 加速度计对运动太过敏感，极易导致手的抖动。在短时间内这是非常令人恼火的，因为它意味着光标或屏幕渲染的目标也会抖动。几分钟以上的抖动将导致显著的累积方向或位置误差，特别是当加速度计的噪声与抖动在相同数量级时。目前广泛使用的低成本消费级加速度计的噪声要比价格更高、体积更大、功耗更高的工业级加速度计大得多，如图2所示。

图2：消费级和工业级加速度计噪声。

3轴陀螺仪传感器

陀螺仪(也称为回转仪或角速度传感器)可以测量围绕轴的旋转角速度，并通过推导得到围绕轴的旋转角度。从20世纪早期推出以来，陀螺仪已经从巨大的铜制台式模型缩小到今天的低成本低功耗小型MEMS芯片，可以安装在指甲盖下方。消费级陀螺仪于90年代中期最先集成进Gyration公司的Air Mouse，后来MEMS陀螺仪被广泛用于罗技的MX Air定点设备和LG的智能电视机遥控器等产品中。任天堂的Wii通过在Motion Plus控制器中增加陀螺仪进一步增强了游戏体验。陀螺仪还被添加进iPhone 3GS中，用于扩展游戏潜能，改进基于位置的服务(LBS)功能的可用性。

就跟加速度计一样，陀螺仪也有不足：

● 陀螺仪不能提供绝对基准。因为这个原因，它们通常与加速度计一起使用，由加速度计提供向“下”的绝对基准，从而也为倾斜和滚动读数提供绝对基准。陀螺仪经常还要与地磁传感器一起使用，由后者提供航向的绝对基准。

● 陀螺仪的零偏或零偏移会随时间漂移。如果不及时校正，将成为系统误差的一个主要来源。例如，即使系统实际处于停止状态，陀螺仪输出也会报告系统在移动。作为参考，错误零偏读数为0.07°，对消费级陀螺仪来说这是分辨率极限，在30秒后将导致2.1°的误差。图3显示了在8分钟周期内典型的未校正零偏变化，而图4显示了这种误差是如何转变成航向的。

图3：陀螺仪随时间的偏移变化。

图4：由于陀螺仪零偏变化引起的航向误差。