MEMS傳感器包括：加速度傳感器，用于測(cè)量線性加速度和地球重力矢量；陀螺儀，用于測(cè)量角速度；磁力計(jì)，用于測(cè)量地球磁場(chǎng)以用于航向確定；壓力傳感器，其用于測(cè)量氣壓以用于海拔確定。通過將這些組件組合到傳感器融合解決方案中，應(yīng)用程序的數(shù)量變得非常大。本文通過描述一些使用互補(bǔ)濾波器的示例，說明了如何使這些傳感器在傳感器融合解決方案中協(xié)同工作?？柭鼮V波器和擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）。

對(duì)于自由落體檢測(cè)，屏幕旋轉(zhuǎn)，計(jì)步器，傾斜測(cè)量和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等應(yīng)用，加速度計(jì)本身可以執(zhí)行任務(wù)。但是，對(duì)于其他其他高級(jí)應(yīng)用程序，包括基于位置的服務(wù)，增強(qiáng)型運(yùn)動(dòng)游戲，行人航位推測(cè)導(dǎo)航，機(jī)器人平衡，空中鼠標(biāo)，人體跟蹤，無人飛行器等，為實(shí)現(xiàn)更好的性能，必須融合MEMS傳感器。系統(tǒng)級(jí)別的準(zhǔn)確性，分辨率，穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間。傳感器融合是一組用于預(yù)測(cè)和過濾的自適應(yīng)算法。它利用來自各種傳感器的不同和互補(bǔ)的信息，以一種智能的方式將它們組合在一起，以優(yōu)化系統(tǒng)性能并啟用新的驚人應(yīng)用程序。

為什么選擇傳感器融合？

在設(shè)計(jì)使用多個(gè)MEMS傳感器的系統(tǒng)時(shí)，重要的是要了解加速度計(jì)，陀螺儀，磁力計(jì)和壓力傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。

傳感器融合解決了由3軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀或3軸加速度計(jì)和3軸磁傳感器組成的6軸模塊的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)傳感性能問題。1）當(dāng)陀螺儀隨時(shí)間漂移時(shí)，帶有加速度計(jì)和陀螺儀的6軸慣性模塊會(huì)失去其絕對(duì)方向，因此需要進(jìn)行校準(zhǔn)以恢復(fù)準(zhǔn)確的航向參考值。2）帶有加速度計(jì)和磁力計(jì)的6軸模塊在環(huán)境中存在含鐵材料的情況下容易損壞數(shù)據(jù)。3）9軸模塊，帶加速度計(jì)，陀螺儀和磁力計(jì)消除了獨(dú)立傳感器解決方案中出現(xiàn)的漂移。但是這些可能會(huì)受到電磁干擾。需要融合傳感器數(shù)據(jù)的算法來補(bǔ)償電磁干擾。

傳感器融合的目的是將每個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)作為輸入，然后應(yīng)用數(shù)字濾波算法來相互補(bǔ)償，并輸出準(zhǔn)確且響應(yīng)迅速的動(dòng)態(tài)姿態(tài)（俯仰/側(cè)傾/偏航）結(jié)果。

輔助濾波器

某些應(yīng)用程序（例如機(jī)器人平衡，相機(jī)圖像穩(wěn)定和3D指針）在系統(tǒng)中安裝了加速度計(jì)和陀螺儀。當(dāng)系統(tǒng)靜止時(shí)，加速度計(jì)可以提供準(zhǔn)確的傾斜角測(cè)量。當(dāng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)將無法跟隨快速運(yùn)動(dòng)。陀螺儀可以輸出動(dòng)態(tài)角速度數(shù)據(jù)。在對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間上的單個(gè)積分之后，可以計(jì)算出角位移或傾斜角，但是由于陀螺儀偏置漂移，該角度從長遠(yuǎn)來看將變得不準(zhǔn)確。

互補(bǔ)濾波器是融合加速度計(jì)和陀螺儀以及可選磁力計(jì)的簡單方法，以獲得準(zhǔn)確和響應(yīng)迅速的俯仰/側(cè)傾/偏航姿態(tài)輸出。它由用于加速度計(jì)的通用低通濾波器和用于陀螺儀的高通濾波器組成，與卡爾曼濾波器相比，它更易于理解和實(shí)現(xiàn)。以下示例說明了如何實(shí)現(xiàn)用于機(jī)器人自平衡的互補(bǔ)濾波器。

如上圖1所示，機(jī)器人具有一個(gè)用于測(cè)量靜態(tài)傾斜角θa的雙軸或三軸加速度計(jì)，以及一個(gè)用于測(cè)量動(dòng)態(tài)傾斜角θg的單軸或雙軸陀螺儀?；パa(bǔ)濾波器然后融合這些測(cè)量結(jié)果以獲得最終傾斜角θ。微處理器使用此信息和來自陀螺儀的角速度信息來控制電機(jī)，以平衡機(jī)器人。互補(bǔ)濾波器框圖如圖2所示，具有雙軸加速度計(jì)和單軸陀螺儀配置。

雙軸加速度計(jì)

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