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传感器数据融合:提升增强游戏、导航和虚拟现实用户体验的关键组件

2019-05-24 01:12
芯向
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尽管如此,还是通常建议用户使用这种方法,因为它可以提供可靠的结果。但是,只有当用户实际上能够花时间重新校准设备,并且物理上允许通过在3D空间中以八字形移动设备时,此方法才适用。

通过“自然使用动作”进行智能校准

尽管八字形动作非常适合智能手机,但在物理上也许并不可行,并且可能对其他类型的设备来说,执行起来会比较困难或奇怪,例如腕部可穿戴设备、增强/虚拟现实耳机、入耳式可穿戴设备和机器人吸尘机。

磁力计校准背后的基本理念在于通过估算磁球与地球磁场矢量的偏差作为半径来估算磁力计的偏移。为了降低校准所需的时间并以更小、更自然的运动校准设备,可使用陀螺仪信号辅助磁场传感器的校准。

校正后的陀螺仪信号相对于最后磁场值定义其旋转。一旦确定了新的磁场值,便会将其馈入扩展卡尔曼滤波器(EKF)。EKF估计磁力计偏移和磁场矢量的大小(半径)。磁强计干扰检测基于卡尔曼滤波器的残差。

由于这些快速传统型磁力计校准器利用陀螺仪数据,因此在重新校准过程中被校准的设备必须处于静止状态,即陀螺仪本身在校准期间不会漂移。然而,对于较新的“体戴式”装置而言,这并不可行,因为这些时刻、并且是在较长的时间段内处于使用和运动中。

定义了这个问题后,Bosch Sensortec专注于通过开发“自然使用型”快速磁力计校准软件来迎接挑战。该软件针对每种不同类型设备的典型用途获得配置,即使这些处于恒定运动中。其目标在于确保即使用户不必做出任何特定、有意的动作,设备中的惯性传感器也可以自动且准确地校准,以实现在变化环境中的使用。

以下将介绍可穿戴设备、控制器和耳机的几个示例:

腕部可穿戴设备

对于佩戴腕表或健身追踪器的人来说,经常浏览设备、查看计算的步数或燃烧的卡路里、阅读消息通知,或只是查看时间再自然不过了。由于大多数用户不知道自己位于会影响其磁力计的材料附近,或者甚至在其设备中安装了磁力计,因此设备需要在不知情的情况下在后台执行校准。此外,如果用户必须在空中挥手以校准“智能腕表”,看起来会很奇怪。因此,Bosch Sensortec磁力计校准器可在后台静音工作,无论何时用户查看手腕,都可以补偿磁力计偏移。

统计学已经证明,只需做出两三个“查看”设备的动作,这种用于可穿戴设备的快速磁力计校准器便可估算出偏移,而且以典型且较低的数据速率运行。

传感器数据融合:提升增强游戏、导航和虚拟现实用户体验的关键组件

图9:腕部可穿戴设备中航向误差的系统消除

该校准程序对室内和室外导航应用都很有效。例如,使用九轴惯性传感器估算用户位置和步行轨迹的PDR(行人航位推算)应用程序在激活校准器时具有相当高的精度。下面的例子清楚地表明,虽然两个轨迹估算都是从0.0开始,但在约为2x200m的短行走距离中未校准设备的累积航向误差导致的位置误差超过43%。

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图10:没有磁力计重新校准的PDR轨迹

传感器数据融合:提升增强游戏、导航和虚拟现实用户体验的关键组件

图11:有磁力计重新校准的PDR轨迹

虚拟和增强现实耳机

与此类似,现实中无法要求虚拟现实耳机的用户经常以八字形运动移动其头部,尤其是佩戴耳机时。特别是对于耳机,由于大脑会记录用户实际运动和在屏幕上看到的视觉图像之间的对准偏差,即使相对较小的航向和水平倾斜偏差也可能导致非常不愉快的眩晕症状。

Bosch Sensortec的耳机磁力计校准器校准磁力计,同时用户可自然地将头部绕颈部轴线移动。校准的积极效果已明显地在头部跟踪算法和多个AR/VR子使用案例中的关键性能定位结果中得到证明。

传感器数据融合:提升增强游戏、导航和虚拟现实用户体验的关键组件

图12:AR/VR耳机——带磁力计校准的动态运动

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