6DOF和9DOF传感器融合的基础知识

　　eCompass 建立在一个非常灵敏的 3 轴磁力计之上，该磁力计致力于测量地球的地磁场。它与一个 3 轴加速度计相关联，其主要目的是为地球磁场矢量提供水平参考，类似于机械磁罗盘必须保持水平才能使其指针自由旋转并指向北极。

　　这两个传感器的组合为“倾斜补偿”电子罗盘提供了六个可测量数据点，通常称为六个自由度 （DOF）。这种双传感器组合的主要优势在于，无论用户如何握住智能手机或平板电脑（例如，在平面或垂直位置、纵向或横向），它都能提供北向。如果这两个矢量不共线（例如在两极），六自由度电子罗盘可以通过简单地测量地球的重力和地磁场进一步提供设备在 3D 空间中的姿态和航向。这就是天空地图应用程序可以指向可见恒星并教你星座的方式。

　　虽然加速度计的现成精度令人满意，但磁力计测量容易受到失真和误差的影响，这些失真和误差会影响最终环境中的校准和校正。事实上，即使磁力计已经由供应商彻底校准，一旦安装到最终产品中，它也会遭受局部磁场扰动，例如硬铁和软铁失真，这主要是由于附近存在磁性材料。传感器。磁干扰可能比地球感兴趣的地磁场大 20 倍，因此绝对必须消除它们。

　　一个值得注意的场磁力计校准程序是个人设备指示其用户执行的“数字 8”手势。在这里，校准是通过简单地利用用户设备的各种自然方向在环境中执行的，或者通过直接操纵设备或通过用户的移动间接进行。最精确的校准算法基于将实际磁力计测量的散点图拟合到椭球体，然后使用校正参数将椭球体转换为球体。

　　一旦正确校准，六自由度电子罗盘就能够提供设备的准确方向。此外，复杂的椭球到球体拟合校准算法可以在后台运行并定期更新校正参数以跟踪环境温度等变化。尽管如此，六自由度电子罗盘仍然存在一些弱点：

　　加速度计测量仅在静止时反映地球重力矢量。每当设备移动时，也会捕获线性加速度，这可能会破坏倾斜校正的水平度估计。

　　尽管经过校准，磁力计仍然对随时间变化的磁干扰高度敏感。任何变化的“磁环境”都会导致无法恢复的测量失真。

　　两个传感器的输出数据通常经过低通滤波，以消除测量噪声（尤其是磁力计）并减少扰动影响。这会导致系统响应滞后，因为计算出的方向可能会被严重平滑。

　　为了缓解 6DOF 的不足，可以添加一个 3 轴陀螺仪，创建一个 9DOF 或“陀螺稳定”的电子罗盘解决方案。陀螺仪为系统提供了对瞬时旋转速度的独立测量，这补充了 6DOF 计算的定向角度。尽管如此，陀螺仪还是有一个恼人的“零漂移偏移”缺点，因为严格静止的陀螺仪将提供剩余的旋转速度偏移，而不是理论上的每秒零度。纠正这个误差很重要，因为旋转速度测量误差将通过与 6DOF 旋转角度估计相匹配的积分随着时间累积。

　　与 6DOF 加速度计/磁力计数据经过低通滤波的方式类似，3DOF 陀螺仪数据也可以经过高通滤波以消除不需要的 DC 偏移。事实上，由于使用扩展卡尔曼滤波器的专用数据处理，甚至可以估计这些偏移量。解决 6DOF 和 9DOF 传感器融合雏形的一种全面而有指导意义的方法是使用飞思卡尔的传感器融合工具箱进行试验，该工具箱可在 www.freescale.com/sensorfusion 下载。

　　得益于第三种传感器和传感器融合算法，9DOF 倾斜补偿和陀螺稳定型电子罗盘现在正在从所有三个传感器中收集最佳数据，利用其他传感器的优势识别和补偿一些缺陷。它提供了对设备方位角、旋转速度、线性加速度、地球重力和地磁场的准确、低噪声、平滑但响应迅速的估计；提供传感器校准错误信息；并且对磁干扰更有弹性。结果大大超过了单个传感器贡献的总和，这是传感器融合的本质。

　　审核编辑：郭婷