高性能運動跟蹤技術已經(jīng)從深奧的軍事、航空電子設備、海洋和工業(yè)應用遷移到不斷擴大的消費應用范圍。盡管如此，將高性能運動跟蹤引入消費市場通常會迫使設計人員協(xié)調(diào)相互沖突的目標，尤其是在成本、功耗和計算資源方面。

然而，由于 MEMS 設計和制造工藝的進步，新一代慣性測量單元 (IMU) 正在幫助設計人員以更少的妥協(xié)提供更高水平的性能。

在介紹有望從主機處理器卸載計算密集型操作的新 6 軸 IMU 之前，本文將概述設計問題和權(quán)衡。它還將討論新的計算分區(qū)策略，這些策略可幫助設計人員以顯著降低的系統(tǒng)功率級別實現(xiàn)更高級別的運動跟蹤精度。最后，將討論新的最佳估計算法和開發(fā)工具包，它們將允許開發(fā)人員構(gòu)建更高效的傳感器融合解決方案。

傳感器性能權(quán)衡

通常，消費類設備必須針對低成本進行優(yōu)化。傳統(tǒng)上，使用 MEMS 運動傳感的消費類系統(tǒng)設計人員選擇將加速度計和陀螺儀樣本從 IMU 流式傳輸?shù)綉锰幚砥?(AP) 或傳感器集線器控制器，然后再對數(shù)據(jù)進行進一步處理。

然而，精確運動跟蹤需要大量計算資源才能與當前可用的 6 軸和 9 軸 IMU 執(zhí)行傳感器融合。在這些應用中，設計人員必須支持至少數(shù)百赫茲或更高的采樣率。設計人員一直在努力以低成本提供高水平的性能，同時又不會使系統(tǒng)處理器過載并損害用戶體驗。

設計人員面臨的另外兩個問題是上市時間和最小化功耗。鑒于所有傳感器都會隨著時間的推移而發(fā)生漂移，校準是開發(fā)高度準確和一致的運動跟蹤子系統(tǒng)的關鍵。編寫自動校準算法是一種選擇，但它所花費的時間往往與消費市場中常見的較短的上市時間相沖突。隨著高性能跟蹤逐漸進入便攜式和無線系統(tǒng)，系統(tǒng)功耗的限制提供了額外的障礙。開發(fā)人員努力提供高精度運動跟蹤所需的大量計算資源，同時優(yōu)化電池壽命。

最近的一些技術進步有望使開發(fā)人員的工作變得更加輕松。新的 6 軸 IMU 現(xiàn)在配備了先進的矢量數(shù)字信號處理 (DSP) 協(xié)處理器，有望從主機處理器卸載計算密集型操作。與此同時，新的計算分區(qū)策略正在幫助設計人員以顯著降低的系統(tǒng)功率水平實現(xiàn)更高水平的運動跟蹤精度。最后，基于擴展卡爾曼濾波器理論的新最優(yōu)估計算法現(xiàn)在允許開發(fā)人員構(gòu)建更高效的傳感器融合解決方案。

智能 IMU

新一代 MEMS IMU 的一個很好的例子是FIS1100，最初由 Fairchild 開發(fā)，現(xiàn)在是ON Semiconductor 的一部分。該智能 MEMS 傳感器模塊將 3 軸加速度計與 3 軸陀螺儀集成在一起，并為可選的外部第三方 3D 磁力計提供輸入。當與 XKF3 傳感器融合庫和 3D 磁力計一起使用時，F(xiàn)IS1100 提供完整的 9 自由度 (9DOF) 解決方案（圖 1）。

IMU 的一個關鍵組件是 AttitudeEngine，這是一種定制矢量 DSP 協(xié)處理器，能夠以高內(nèi)部采樣率對高頻運動進行編碼，同時在任何輸出數(shù)據(jù)速率 (ODR) 上保持完全準確。這允許協(xié)處理器以在通用系統(tǒng)處理器上執(zhí)行相同計算所需的一小部分功率來處理慣性數(shù)據(jù)。

使用 FIS1100，設計人員可以使用協(xié)處理器從主機處理器卸載計算密集型操作，消除頻繁數(shù)據(jù)中斷的需要，并允許系統(tǒng)處理器更長時間地保持睡眠模式。該專用硬件模塊可以將運動信號處理功耗降低多達 10 倍，而不會影響精度。

圖 1：在典型應用中，F(xiàn)IS1100 IMU 通過主 I 2 C 接口將其嵌入式 3 軸陀螺儀和 3 軸加速度計與第三方磁力計集成。應用處理器通過 SPI 4 線接口管理此 9DOF 解決方案。（圖片來源：安森美半導體）

卡爾曼濾波

為了幫助在極低的功率水平下開發(fā)更高精度的運動跟蹤解決方案，開發(fā)人員正在采用基于卡爾曼濾波理論的新的最佳估計算法。通常，卡爾曼濾波是一種算法，它使用隨時間觀察到的一系列測量值來預測未知變量的估計值，這些測量值包含統(tǒng)計誤差和其他不準確之處。該系列往往比單次測量更準確。

卡爾曼濾波器通過使用兩步形式的反饋控制來估計過程。濾波器估計某個時間的過程狀態(tài)，然后以噪聲測量的形式獲得反饋。因此，卡爾曼濾波器的方程分為兩組：時間更新方程和測量更新方程。時間更新方程負責（及時）預測當前狀態(tài)和誤差協(xié)方差估計，以獲得下一時間步長的估計。測量方程負責反饋。

記錄下一次測量的結(jié)果后，將使用加權(quán)平均值更新估計值。在這個過程中，對確定性較高的估計給予更多的權(quán)重。

重要的是要記住卡爾曼濾波器算法是遞歸的。這使得實際實施更加可行。

與旨在直接對每個估計的所有數(shù)據(jù)進行操作的其他方法不同，卡爾曼濾波器理論遞歸地調(diào)節(jié)所有過去測量的當前估計。它可以僅使用當前輸入測量值和先前計算的狀態(tài)及其不確定性矩陣實時運行。不需要額外的過去信息。

傳感器融合的進展

XSENS 的工程師使用了上述卡爾曼濾波技術，該公司是 Fairchild 于 2014 年收購的傳感器融合軟件開發(fā)商。該團隊創(chuàng)建了一種稱為 XKE3 的最佳估計算法，該算法以極低的功耗提高了運動跟蹤性能。XKE3 Sensor Fusion 是一個二進制軟件庫，它集成了 3D 加速度計、3D 陀螺儀和 3D 磁力計數(shù)據(jù)，以在地球固定參考系中計算 3D 方向。XKE3 算法的可靠性已經(jīng)確立；它們已在軍事和工業(yè)應用中使用了十多年。

通過將 FIS1100、其 3 軸加速度計和 3 軸陀螺儀與第三方磁力計和 XKE3 傳感器融合軟件捆綁在一起，安森美半導體為開發(fā)人員提供了完整的 9DOF 解決方案。此外，該捆綁解決方案通過提供滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航方向規(guī)范，極大地簡化了系統(tǒng)開發(fā)。

傳統(tǒng)上，需要添加運動跟蹤功能的設計人員必須通過過時的傳感器級規(guī)范并學習復雜的運動處理基礎知識?，F(xiàn)在，他們有一個提供滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航規(guī)范的解決方案，使他們能夠在構(gòu)建第一個原型之前知道預期的航向性能。

XKE3 庫在微控制器或應用處理器上運行，以可配置的速率從 FIS1100 收集運動數(shù)據(jù)。在這個 9 軸解決方案中（再次參見圖 1），F(xiàn)IS1100 以相對較高的頻率 (1 kHz) 對加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)進行采樣，并將其發(fā)送到 AttitudeEngine 協(xié)處理器，后者執(zhí)行高精度捷聯(lián)積分 (SDI) 計算. 協(xié)處理器還將磁力計數(shù)據(jù)與慣性數(shù)據(jù)同步，以獲得克隆和劃槳補償?shù)姆较蚝退俣仍隽?，以及可選的磁力計數(shù)據(jù)，并將其全部傳輸?shù)?XKE3 引擎。

XKE3 在傳感器校準中起著關鍵作用。例如，各種各樣的過程，從振動和溫度到設備老化和機械應力，都會隨著時間的推移改變磁力計的輸出。通常，校準參數(shù)的這些變化非常微妙。XFK3 使用零用戶交互校準來補償這些變化，該校準會持續(xù)自動校準每個傳感器的最重要錯誤。這消除了用戶中斷的需要。

計算分區(qū)

FIS1100 和 XKE3 能夠以較低功率提高運動跟蹤性能的另一個關鍵因素是使用創(chuàng)新的計算分區(qū)策略。傳統(tǒng)上，設計師將加速度計和陀螺儀樣本從 IMU 流式傳輸?shù)街鳈C處理器，然后主機處理器執(zhí)行慣性量的 SDI。這種架構(gòu)如圖（圖 2）所示。然后傳感器融合算法使用積分值來提供所需的輸出。

圖 2：在傳統(tǒng)架構(gòu)的描述中，加速度計和陀螺儀樣本直接從 IMU 流式傳輸?shù)街鳈C處理器以執(zhí)行慣性量的 SDI。（圖片來源：安森美半導體）

采用這種架構(gòu)，加速度計和陀螺儀信號以高速從 IMU 傳輸?shù)街鳈C處理器是保持運動跟蹤精度所必需的。但是，不需要向主機處理器進行高速數(shù)據(jù)傳輸，因為最終應用所需的更新速率范圍從僅幾赫茲（對于行人導航等應用）到高達 30 至 60 赫茲（用于游戲、健身追蹤和機器人控制） . 甚至更高性能的應用程序，如虛擬和增強現(xiàn)實，只需要大約 100 Hz。在這種情況下，設計人員只需以高速率傳輸數(shù)據(jù)即可對加速度和角速度進行精確的數(shù)值積分。

然而，設計人員仍然為高速率的流數(shù)據(jù)付出代價。該架構(gòu)強制主機處理器處理更頻繁的數(shù)據(jù)中斷，以防止其盡可能頻繁地進入睡眠模式。因此，整個系統(tǒng)功耗增加。

緩解此問題的一種方法是在 IMU 側(cè)使用 FIFO 緩沖區(qū)。不幸的是，這種方法帶來了新的問題，例如：

• 主機處理器需要處理更多的數(shù)據(jù)
• 當多個外設共享同一總線時，SPI/I 2 C上發(fā)生總線爭用/沖突的可能性增加
• 無線應用中更高的丟包概率
• 主機處理器對高速串行總線模式和 DMA 支持的需求增加

設計人員可以通過將算法分割成運行在 FIS1100 上的高性能段和運行在 XKE3 引擎上的低速率段，然后使用 FIS1100 在 IMU 側(cè)實現(xiàn) SDI 算法，從而顯著降低系統(tǒng)處理器的計算負載（圖 3）。當系統(tǒng)在具有全自動校準功能的高精度 3D 融合模式下運行時，這種方法更加有益。

圖 3：利用上述架構(gòu)，設計人員通過在 FIS1100 AttitudeEngine 上執(zhí)行高數(shù)據(jù)速率 SDI 計算并將低速率方向和速度增量流式傳輸?shù)皆谥鳈C端運行的 XKF3 傳感器融合算法，從而獲得更高的能效。（圖片來源：安森美半導體）

此外，通過在 XKE3 引擎上以非常低的采樣率運行狀態(tài)跟蹤部分，設計人員可以跟蹤更多的狀態(tài)，從而在不損失系統(tǒng)資源的情況下對多個校準參數(shù)進行統(tǒng)計優(yōu)化跟蹤。

在 AttitudeEngine 模式下運行 FIS1100，設計人員可以通過將加速度計和陀螺儀信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，并使用帶寬約為 200 Hz 的低通濾波器來實現(xiàn)這一點。這允許 AttitudeEngine 在硬件中以 1 kHz 輸入速率執(zhí)行 SDI 計算，確保運動積分數(shù)字計算的任何錯誤都可以忽略不計。

將 FIS1100 流運動數(shù)據(jù)編碼為方向和速度增量而不是傳統(tǒng)的角速度和加速度樣本，計算是準確的，與所選的輸出速率無關。低輸出速率導致運動數(shù)據(jù)的時間表示較粗，但數(shù)據(jù)仍然準確。因此，可以根據(jù)特定的應用要求來選擇輸出速率，而不是由執(zhí)行高精度數(shù)值積分的需要所驅(qū)動。

使用這種創(chuàng)新架構(gòu)，設計人員可以獲得多種好處：

• 在專用硬件而非主機處理器上運行 SDI 可顯著降低功耗
• 無論選擇何種輸出數(shù)據(jù)速率，運動信息都保持準確
• 將 SDI 功能移至架構(gòu)的 IMU 側(cè)，通過減少計算需求來簡化系統(tǒng)集成

啟動設計的開發(fā)套件

構(gòu)建高精度運動跟蹤解決方案可能需要花費大量時間和精力。為了加速系統(tǒng)性能和精度的分析，并簡化硬件集成和嵌入式軟件集成，安森美半導體提供了 FIS1100 評估套件。該套件提供 FIS1100 評估系統(tǒng)以及 XKE3 傳感器融合庫、FIS1100 參考驅(qū)動程序以及 ARM? Cortex?-M 微控制器的示例傳感器融合項目。

該評估套件通過易于使用的 MT 管理器 Windows GUI 應用程序進行管理。評估首先將與 Arduino 兼容的FEBFIS1100 MEMS_IMU6D3X屏蔽板安裝到NXP LPCXPRESSO54102 MCU 板上，如圖所示（圖 4）。然后 MCU 板通過 USB 電纜連接到主機 PC。

圖 4a

圖 4b

圖 4：FIS1100 評估套件通過提供一個兩板組來簡化系統(tǒng)性能和軟件和硬件集成的分析，該組在 NXP LPCXpresso54102 ARM Cortex-M 開發(fā)板上安裝了兼容 Arduino UNO R3 的 FEBFIS1100MEMS_IMU6D3X 屏蔽板 (a) (b) . （圖片來源：安森美半導體）

安裝驅(qū)動程序后，用戶啟動 MT Manager 應用程序，該應用程序會自動掃描連接的系統(tǒng)和顯示器。當開發(fā)人員在設備列表中選擇評估套件時，他們可以通過打開輸出配置面板來管理系統(tǒng)運行參數(shù)。FIS1100 和 XKE3 融合庫的所有主要功能都可以通過輸出配置對話框屏幕進行配置。

為了幫助解釋傳感器數(shù)據(jù)，MT Manager 提供了許多有用的可視化工具。3D 方向視圖提供評估板的 3D 方向表示。慣性數(shù)據(jù)視圖可幫助用戶了解 XKE3 融合庫輸出的慣性和磁場數(shù)據(jù)。包括對典型傳感器誤差的校正，例如陀螺儀偏差和磁性硬鐵和軟鐵失真。對于需要跟蹤系統(tǒng)短期運動（例如手臂相對于軀干的運動）的用戶，速度數(shù)據(jù)視圖提供了 XKE3 融合庫高通速度輸出的圖形利用。

結(jié)論

高性能運動跟蹤功能不再局限于神秘的軍事和航空電子應用。如今，在對成本敏感的消費市場中，對開發(fā)這些相同功能的需求正在迅速增長。如上所述，設計人員現(xiàn)在可以應用新一代智能、低噪聲、低漂移 IMU。計算分區(qū)的新方法和傳感器融合軟件的進步使這種轉(zhuǎn)變成為可能。

審核編輯：符乾江