將新6軸IMU與DSP結(jié)合實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)動(dòng)跟蹤精度

將新軸與 結(jié)合實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)動(dòng)跟蹤精度高性能運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)已從深?yuàn)W的軍事，航空電子，船舶和工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)移到不斷擴(kuò)展的消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域。盡管如此，將高性能運(yùn)動(dòng)跟蹤引入消費(fèi)者市場(chǎng)往往迫使設(shè)計(jì)人員協(xié)調(diào)相互沖突的目標(biāo)，特別是在成本，功耗和計(jì)算資源方面。然而，由于MEMS設(shè)計(jì)和制造的進(jìn)步新一代慣性測(cè)量單元(IMU)正在幫助設(shè)計(jì)人員提供更高水平的性能，同時(shí)減少妥協(xié)。本文將在介紹新的6軸IMU之前概述設(shè)計(jì)問(wèn)題和權(quán)衡。承諾從主處理器卸載計(jì)算密集型操作。它還將討論新的計(jì)算分區(qū)策略，幫助設(shè)計(jì)人員在顯著降低的系統(tǒng)功率水平下實(shí)現(xiàn)更高水平的運(yùn)動(dòng)跟蹤精度。最后，將討論新的最佳估計(jì)算法和開發(fā)工具包，以便開發(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(fèi)者設(shè)備必須優(yōu)化低成本。傳統(tǒng)上，使用MEMS運(yùn)動(dòng)傳感的消費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理之前，選擇將加速度計(jì)和陀螺儀樣本從IMU傳輸?shù)綉?yīng)用處理器(AP)或傳感器集線器控制器。然而，精確運(yùn)動(dòng)跟蹤需要大量計(jì)算資源來(lái)執(zhí)行與當(dāng)前可用的6軸和9軸IMU的傳感器融合。在這些應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員必須支持至少幾百赫茲或更高的采樣率。設(shè)計(jì)人員一直在努力以低成本提供高水平的性能，而不會(huì)使系統(tǒng)處理器過(guò)載并破壞用戶體驗(yàn)。設(shè)計(jì)人員面臨的另外兩個(gè)問(wèn)題是上市時(shí)間和最小化功耗。鑒于所有傳感器隨時(shí)間漂移，校準(zhǔn)是開發(fā)高度準(zhǔn)確和一致的運(yùn)動(dòng)跟蹤子系統(tǒng)的關(guān)鍵。編寫自動(dòng)校準(zhǔn)算法是一種選擇，但它所花費(fèi)的時(shí)間經(jīng)常與消費(fèi)者市場(chǎng)中常見的上市時(shí)間較短的窗口相沖突。隨著高性能跟蹤進(jìn)入便攜式和無(wú)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(yùn)動(dòng)跟蹤所需的大量計(jì)算資源，同時(shí)優(yōu)化電池壽命。最近的一些技術(shù)進(jìn)步有望使開發(fā)人員的工作變得更加容易。新的6軸IMU現(xiàn)在配備了先進(jìn)的矢量數(shù)字信號(hào)處理(DSP)協(xié)處理器，承諾從主處理器卸載計(jì)算密集型操作。與此同時(shí)，新的計(jì)算分區(qū)策略正在幫助設(shè)計(jì)人員在顯著降低系統(tǒng)功率水平的情況下實(shí)現(xiàn)更高水平的運(yùn)動(dòng)跟蹤精度。最后，基于擴(kuò)展卡爾曼濾波理論的新的最優(yōu)估計(jì)算法現(xiàn)在允許開發(fā)人員構(gòu)建更有效的傳感器融合解決方案。智能IMU新一代MEMSIMU的一個(gè)很好的例子是FIS1100最初由Fairchild開發(fā)，現(xiàn)在是安森美半導(dǎo)體的一部分。這款智能MEMS傳感器模塊集成了一個(gè)3軸加速度計(jì)和一個(gè)3軸陀螺儀，并為可選的外部第三方3D磁力計(jì)提供輸入。當(dāng)與XKF3傳感器融合庫(kù)和3D磁力計(jì)一起使用時(shí)，F(xiàn)IS1100提供完整的9自由度（9DOF）解決方案（圖1）。IMU的一個(gè)關(guān)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)部采樣率編碼高頻運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持任何輸出數(shù)據(jù)速率（?？?的完全精度。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(jì)算所需功率的一小部分來(lái)處理慣性數(shù)據(jù)。使用FIS1100，設(shè)計(jì)人員可以使用協(xié)處理器從主機(jī)卸載計(jì)算密集型操作處理器，無(wú)需頻繁的數(shù)據(jù)中斷，并允許系統(tǒng)處理器更長(zhǎng)時(shí)間保持睡眠模式。這種專用硬件模塊可以將運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理功耗降低10倍，而不會(huì)影響精度。

MCU『amT6JUMWSHR]MMMCU『amT6JUMWSHR]MM將新6軸IMU與DSP結(jié)合實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)動(dòng)跟蹤精度圖1：在典型應(yīng)用中FIS1100IMU通過(guò)主I2C接口將其嵌入式3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)與第三方磁力計(jì)集成在一起。應(yīng)用處理器通過(guò)SPI4線接口管理此9DOF解決方案。（圖像：安森美半導(dǎo)體）卡爾曼濾波為了在極低功率水平下開發(fā)更高精度的運(yùn)動(dòng)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優(yōu)估計(jì)算法。通常，卡爾曼濾波是一種算法，其使用隨時(shí)間觀察的一系列測(cè)量，其包含統(tǒng)計(jì)誤差和其他不準(zhǔn)確性以預(yù)測(cè)未知變量的估計(jì)。該系列往往比單次測(cè)量更精確?？柭鼮V波器通過(guò)使用兩步形式的反饋控制來(lái)估計(jì)過(guò)程。濾波器在某個(gè)時(shí)間估計(jì)過(guò)程狀態(tài)，然后以噪聲測(cè)量的形式獲得反饋。因此，卡爾曼濾波器的方程分為兩組：時(shí)間更新方程和測(cè)量更新方程。時(shí)間更新方程負(fù)責(zé)預(yù)測(cè)（及時(shí)）當(dāng)前狀態(tài)和誤差協(xié)方差估計(jì)以獲得下一時(shí)間步的估計(jì)。測(cè)量方程負(fù)責(zé)反饋。記錄下一次測(cè)量的結(jié)果后，使用加權(quán)平均值更新估算值。在這個(gè)過(guò)程中，更高的確定性給予估計(jì)更多的權(quán)重。重要的是要記住卡爾曼濾波算法是遞歸的。這使得實(shí)際實(shí)施更加可行。與設(shè)計(jì)為直接針對(duì)每個(gè)估計(jì)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的其他方法不同，卡爾曼濾波器理論遞歸地調(diào)整所有過(guò)去測(cè)量的當(dāng)前估計(jì)。它可以僅使用當(dāng)前輸入測(cè)量值和先前計(jì)算的狀態(tài)及其不確定性矩陣實(shí)時(shí)運(yùn)行。不需要額外的過(guò)去信息。傳感器融合的進(jìn)展上述卡爾曼濾波技術(shù)由XSENS的工程師使用，XSENS是Fairchild于2014年收購(gòu)的傳感器融合軟件開發(fā)商。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種稱為XKE3的最佳估計(jì)算法，可在極低功率下提高運(yùn)動(dòng)跟蹤性能。XKE3傳感器融合是一個(gè)二進(jìn)制軟件庫(kù)，集成了3D加速度計(jì)，3D陀螺儀和3D磁力計(jì)數(shù)據(jù)，用于計(jì)算地球固定參考系中的3D方向。XKE3算法的可靠性已經(jīng)確立;它們已經(jīng)在軍事和工業(yè)應(yīng)用中使用了十多年。通過(guò)捆綁FIS1100,其3軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀與第三方磁力計(jì)和XKE3傳感器融合軟件，ONSemiconductor為開發(fā)人員提供完整的9DOF解決方案。此外，這種捆綁式解決方案通過(guò)提供滾動(dòng)，俯仰和偏航方向規(guī)范，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開發(fā)。傳統(tǒng)上，需要添加運(yùn)動(dòng)跟蹤功能的設(shè)計(jì)人員必須通過(guò)古老的傳感器級(jí)規(guī)范，并學(xué)習(xí)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)處理基礎(chǔ)知識(shí)?，F(xiàn)在，他們有一個(gè)提供滾動(dòng)，俯仰和偏航規(guī)格的解決方案，使他們能夠在構(gòu)建第一個(gè)原型之前了解所期望的航向性能。在微控制器或應(yīng)用處理器上運(yùn)行，XKE3庫(kù)收集運(yùn)動(dòng)來(lái)自FIS1100的數(shù)據(jù)以可配置的速率。在這個(gè)9軸解決方案中(圖1,再次)，F(xiàn)IS1100以相對(duì)較高的頻率(1kHz)對(duì)力口速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并將其發(fā)送到AttitudeEngine協(xié)處理器，該協(xié)處理器以高精度執(zhí)行捷聯(lián)式積分(SDI)計(jì)算。協(xié)處理器還將磁力計(jì)數(shù)據(jù)與慣性數(shù)據(jù)同步，以獲得克隆和劃分補(bǔ)償方向和速度增量，以及可選的磁力計(jì)數(shù)據(jù)，并將其全部傳輸?shù)絏KE3引擎。XKE3起著關(guān)鍵作用在傳感器校準(zhǔn)中。例如，從振動(dòng)和溫度到設(shè)備老化和機(jī)械應(yīng)力的各種過(guò)程可以隨時(shí)間改變磁力計(jì)輸出。通常，校準(zhǔn)參數(shù)的這些變化非常微妙。XFK3使用零用戶交互校準(zhǔn)補(bǔ)償這些變化，該校準(zhǔn)可連續(xù)自動(dòng)校準(zhǔn)每個(gè)傳感器以查找最重要的錯(cuò)誤。這消除了用戶中斷的需要。計(jì)算分區(qū)FIS1100和XKE3以更低功率改善運(yùn)動(dòng)跟蹤性能的另一個(gè)關(guān)鍵因素是使用創(chuàng)新的計(jì)算分區(qū)策略。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)人員將加速度計(jì)和陀螺儀樣本從IMU流式傳輸?shù)街魈幚砥?，然后主處理器?zhí)行慣性量的SDI。該架構(gòu)如圖2所示。然后，傳感器融合算法使用積分值來(lái)提供所需的輸出。Fusionirtm國(guó)電mFusionirtm國(guó)電m網(wǎng)CalibiatipnMfMSIMU將新6軸IMU與DSP結(jié)合實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)動(dòng)跟蹤精度圖2：在傳統(tǒng)架構(gòu)的描述中，加速度計(jì)和陀螺儀樣本直接從IMU流式傳輸?shù)街魈幚砥?，以?zhí)行慣性量的SDI。（圖片:安森美半導(dǎo)體）采用這種架構(gòu)，加速度計(jì)和陀螺儀信號(hào)從IMU到主處理器的高速流傳輸對(duì)于保持運(yùn)動(dòng)跟蹤精度是必要的。然而，由于最終應(yīng)用所需的更新速率僅為幾赫茲，適用于行人導(dǎo)航，高達(dá)30至60赫茲的游戲，健身追蹤和機(jī)器人控制等應(yīng)用，因此無(wú)需向主處理器進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。。甚至更高性能的應(yīng)用，如虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)只需要大約100赫茲。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員只需要以高速率傳輸數(shù)據(jù)，以便對(duì)加速度和角速度進(jìn)行精確的數(shù)值積分。然而，設(shè)計(jì)人員仍然需要為高速流數(shù)據(jù)付出代價(jià)。該架構(gòu)迫使主處理器處理更頻繁的數(shù)據(jù)中斷，防止它盡可能頻繁地進(jìn)入睡眠模式。因此，整體系統(tǒng)功耗上升。緩解此問(wèn)題的一種方法是在IMU側(cè)使用FIFO緩沖器。不幸的是，這種方法帶來(lái)了新的問(wèn)題，例如：主機(jī)處理器需要處理更多數(shù)據(jù)SPI/I上總線爭(zhēng)用/沖突的可能性增加2當(dāng)多個(gè)外設(shè)共享同一總線時(shí)無(wú)線應(yīng)用中丟包概率較高對(duì)高速串行總線模式的需求增加主機(jī)處理器上的DMA支持設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)將算法分割為在FIS1100上運(yùn)行的高性能部分，大大減少系統(tǒng)處理器的計(jì)算負(fù)荷，F(xiàn)IS1100是運(yùn)行的低速段XKE3引擎，然后使用FIS1100在IMU端實(shí)現(xiàn)SDI算法（圖3）。當(dāng)系統(tǒng)以高精度，3D融合模式運(yùn)行并進(jìn)行全自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)，這種方法更有用。將新6軸IMU與DSP結(jié)合實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)動(dòng)跟蹤精度圖3：隨著通過(guò)上述架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可以在FIS1100AttitudeEngine上執(zhí)行高數(shù)據(jù)速率SDI計(jì)算，并將低速率方向和速度增量流式傳輸?shù)街鳈C(jī)端運(yùn)行的XKF3傳感器融合算法，從而獲得更高的功效。（圖像：安森美半導(dǎo)體）此外，通過(guò)在XKE3引擎上以非常低的采樣率運(yùn)行狀態(tài)跟蹤部分，設(shè)計(jì)人員可以跟蹤更多的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)校準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)最優(yōu)跟蹤參數(shù)不用支付系統(tǒng)資源的罰金。在AttitudeEngine模式下運(yùn)行FIS1100，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)將加速度計(jì)和陀螺儀信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，以及使用寬帶約200Hz的低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這允許AttitudeEngine在硬件中以1kHz輸入速率執(zhí)行SDI計(jì)算，確保來(lái)自運(yùn)動(dòng)積分的數(shù)字計(jì)算的任何誤差都可以忽略不計(jì)。將FIS1100流運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)編碼為方向和速度增量代替?zhèn)鹘y(tǒng)的角速度和加速度樣本，計(jì)算是準(zhǔn)確的，與所選擇的輸出速率無(wú)關(guān)。低輸出率導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的較粗略時(shí)間表示，但數(shù)據(jù)保持準(zhǔn)確。因此，可以根據(jù)特定的應(yīng)用要求選擇輸出速率，而不是由高精度執(zhí)行數(shù)值積分的需要驅(qū)動(dòng)。使用這種創(chuàng)新架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可以獲得多種好處：在專用硬件而非主處理器上運(yùn)行SDI可顯著降低功耗無(wú)論選擇的輸出數(shù)據(jù)速率如何，運(yùn)動(dòng)信息都保持準(zhǔn)確將SDI功能移至該體系結(jié)構(gòu)的IMU端通過(guò)降低計(jì)算需求簡(jiǎn)化了系統(tǒng)集成開發(fā)套件以啟動(dòng)設(shè)計(jì)構(gòu)建高精度運(yùn)動(dòng)跟蹤解決方案可能需要大量時(shí)間和精力。為加速分析系統(tǒng)性能和精度，以及簡(jiǎn)化硬件集成和嵌入式軟件集成，安森美半導(dǎo)體為FIS1100提供評(píng)估套件。該套件提供FIS1100的評(píng)估系統(tǒng)，結(jié)合XKE3傳感器融合庫(kù)，F(xiàn)IS1100的參考驅(qū)動(dòng)程序，以及ARM?Cortex?-M微控制器的示例傳感器融合項(xiàng)目。評(píng)估套件是通過(guò)易于使用的MT管理器WindowsGUI應(yīng)用程序進(jìn)行管理。評(píng)估首先將Arduino兼容的FEBFIS1100MEMS_IMU6D3X屏蔽層安裝到NXP

LPCXPRESSO54102MCU板上，如圖所示（圖4）。然后，MCU板通過(guò)USB電纜連接到主機(jī)PC。將新6軸IMU與DSP結(jié)合實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)動(dòng)跟蹤精度圖4b圖4：FIS1100評(píng)估套件通過(guò)提供安裝與ArduinoUNOR3兼容的FEBFIS1100MEMS_IMU6D3X屏蔽的雙板組(a),簡(jiǎn)化了系統(tǒng)性能分析和軟件與硬件集成恩智浦LPCXpresso54102ARMCortex-M開發(fā)板(b)。(圖片：安森美半導(dǎo)體)安裝驅(qū)動(dòng)程序后，用戶啟動(dòng)MTManager應(yīng)用程序，自動(dòng)掃描已連接的系統(tǒng)和顯示器。當(dāng)開發(fā)人員在設(shè)備列表中選擇評(píng)估工具包時(shí)，他們可以通過(guò)打開輸出配置面板來(lái)管理系統(tǒng)操作參數(shù)。可以通過(guò)輸出配置對(duì)話框屏幕配置FIS1100和XKE3融合庫(kù)的所有主要功能。為了幫助解釋傳感器數(shù)據(jù)，MTManager提供了許多有用的可視化工具。3D方向視圖提供評(píng)估板的3D方向的表示。慣