能夠確定設備的位置和移動正在成為許多便攜式系統(tǒng)中的標準功能。諸如手機和平板電腦之類的系統(tǒng)使用來自加速度計和磁力計的6軸數(shù)據(jù)來啟用關鍵功能，這些功能使消費類電子設備的界面更容易使用。

下一代設備正朝著采用陀螺儀功能的9軸傳感器融合發(fā)展，以進一步改善用戶體驗。例如，當健康監(jiān)視器可以區(qū)分步行，游泳和跑步等活動時，它可以更準確地跟蹤用戶。陀螺儀數(shù)據(jù)還啟用了新的界面功能，例如手勢識別，用戶可以在其中揮動手腕來顯示。

許多消費類電子設備都可以從9軸傳感器融合中受益（見圖1）。例如，手機，游戲系統(tǒng)，健康監(jiān)視器和可穿戴電子設備可以實現(xiàn)高附加值功能，例如三維手勢識別，相對于其他用戶的相對定位以及運動跟蹤。為此，設備需要9軸傳感器數(shù)據(jù)以及有效處理數(shù)據(jù)的能力。

請注意，這些系統(tǒng)中的許多系統(tǒng)并不需要戰(zhàn)斗機保持飛行所需的精確度。相反，他們需要一種符合成本效益的9軸傳感器融合實施方案，以滿足消費者應用程序的需求，以改善用戶體驗。有了新的MagGyros，例如Kionix的KMX62G，開發(fā)人員可以使用6軸傳感器（加速度計+磁力計）提供9軸輸出的等效值（加速度計+磁力計+陀螺儀），同時最大程度地降低能耗90％。實際上，Sensor Fusion使用多個傳感器來填充各個傳感器的盲點。

9軸傳感器融合

使用9軸傳感器融合（來自加速度計，磁力計和陀螺儀的數(shù)據(jù)），系統(tǒng)可以準確地將自己定位在世界上，包括傾斜和方向以及位置和旋轉的變化（請參見圖2）。有效地，傳感器融合使用多個傳感器來填充單個傳感器的盲點。

加速度計

加速度計可測量3個軸上的加速度。重要的是要注意，重力是加速度的一種形式，因此靜止的物體仍然具有向下的加速度。這一事實使加速度計能夠確定系統(tǒng)相對于“向下”的方向。

此信息還可用于確定系統(tǒng)的級別。許多手持式和便攜式設備都使用方向來調(diào)整顯示，以匹配用戶如何握住設備。通常使用此功能的設備包括手機，平板電腦和筆記本電腦。

加速度計的另一個獨特功能是能夠判斷設備是否掉落。例如，當一臺筆記本電腦放在桌子上時，它檢測到1G。但是，如果將筆記本電腦從桌子上敲下來，當它掉落到地板上時它將檢測到0G（類似于零重力或失重模擬使飛機自由落體）。這使系統(tǒng)能夠檢測其是否掉落并且有發(fā)生碰撞的迫在眉睫的危險。對于筆記本電腦，系統(tǒng)可以主動將硬盤驅動器頭停放在安全的位置，以防止損壞驅動器或數(shù)據(jù)。

加速度計已開發(fā)出許多其他用途，包括提高功率效率?？紤]一下，幾分鐘內(nèi)沒有移動的健身追蹤器可能不會被使用。然后，設備可以自行關閉電源。這個簡單的用例可以在很多應用中顯著提高電池壽命。

磁力計

磁力計測量磁場。它可以用在指南針中以識別地球的磁場。通過分析檢測到的磁場的大小，方向和變化率，磁力計可以用來確定磁北的方向。

但是，作為獨立傳感器，磁力計通常無法識別磁北的方向。傳統(tǒng)的羅盤使用帶有軸承的磁棒，該軸承會限制磁棒在一個方向上對齊。適當調(diào)平外殼，使用戶可以最佳地將桿與磁北對齊。在電子磁力計中，使用3軸感測來計算磁場的方向和大小。磁力計軸與被測信號之間的任何傾斜都會在報告的磁場方向上引起誤差。

手持設備可以同時使用加速度計和磁力計來確定磁北。這可以通過使用加速度計識別設備的傾斜度并使用此信息來補充磁力計的讀數(shù)來實現(xiàn)。

陀螺儀

桌上靜止的加速度計可以感應到設備處于靜止狀態(tài)。但是，如果以加速度計為旋轉中心旋轉系統(tǒng)，則加速度計將無法檢測到運動。這實際上是加速度計的一個盲點。如果系統(tǒng)可以訪問陀螺儀，則陀螺儀可以檢測到旋轉。

不幸的是，對于許多應用來說，采用陀螺儀技術很難證明其合理性。在這三種類型的傳感器中，陀螺儀是最大和最昂貴的。盡管傳感器提供了有用的信息，但物理陀螺儀的成本，尺寸和/或功耗往往超過其所代表的值。由于這些原因，開發(fā)人員經(jīng)常不得不將位置和方向功能限制為由加速度計和磁力計提供的6軸數(shù)據(jù)。

KMX62G瑪格羅

如今，軟件算法和低噪聲，低延遲傳感器的進步使得僅使用加速度計和磁力計的數(shù)據(jù)來模擬陀螺儀輸出成為可能。這是MagGyros中使用的方法，其中系統(tǒng)根據(jù)對設備先前位置的了解來計算設備的旋轉方向和速度。換句話說，當系統(tǒng)可以隨時間跟蹤方向時，它可以推斷旋轉數(shù)據(jù)。

為了使開發(fā)人員能夠將陀螺儀功能引入各種新應用，Kionix提供了KMX62G MagGyro。KMX62G采用了Kionix的KMX62加速器/磁力計，并通過行業(yè)領先的傳感器融合軟件和自動校準算法對其進行了增強（參見圖3）。這使得KMX62G不僅僅是一個加速器/磁力計。它是業(yè)界首款高精度陀螺儀仿真器，提供9軸定位功能。

正確的精度水平

由于MagGyro可以估算而不是直接測量轉速，因此其精度不如物理陀螺儀高。但是，陀螺儀精度最常在涉及距離的情況下發(fā)揮作用，例如在駕駛飛機時：偏離100英里一度會使您偏離航向。另一方面，諸如手勢識別之類的近距離活動可以容忍相對較大的錯誤。因此，專注于用戶體驗的消費電子應用不需要物理陀螺儀的科學精度。

力量

物理陀螺儀總是在諧振，這意味著它會不斷消耗功率。通常，物理陀螺儀在2.5 V或更高電壓下工作，消耗4000至7000μA（見圖4）。請注意，這僅適用于陀螺儀。

使用KMX62G MagGyro，加速度計+磁力計傳感器消耗450μA。即使考慮到執(zhí)行軟件算法的微控制器所需的功率（?500μA），整個MagGyro操作也小于1000μA。因此，與物理陀螺儀相比，KMX62G的能效提高了5到10倍。

啟動時間

由于它們消耗大量電能，因此系統(tǒng)通常會盡可能頻繁地關閉陀螺儀。但是，物理陀螺儀可能需要50到100ms的時間才能穩(wěn)定輸出。因此，使用物理陀螺儀的高能效實現(xiàn)會導致響應速度慢，這可能會對用戶體驗產(chǎn)生負面影響。從啟動開始，KMX62G大約需要15-20ms才能開始輸出9軸數(shù)據(jù)。這是由于需要收集第一批樣品并進行處理。一旦建立了數(shù)據(jù)管道，此延遲將有效消除。但是，對于許多應用程序而言，KMX62G的低能耗使該設備可以在大多數(shù)時間運行，從而消除了那些重要的應用程序或用例的啟動延遲。

成本

與具有物理陀螺儀的等效9軸解決方案相比，KMX62G的實現(xiàn)成本大大降低。它在沒有物理陀螺儀和提供基于9軸定位的功能之間提供了極好的中間解決方案。

性能與品質(zhì)

MagGyro的性能高度依賴于其組件的質(zhì)量。考慮到為了模擬陀螺儀，MagGyro算法使用了來自加速度計和磁力計的傳感器數(shù)據(jù)。任何一個傳感器中的噪聲都會迅速削弱陀螺儀計算的準確性。此外，相同的傳感器數(shù)據(jù)隨后用于傳感器融合算法中以計算9軸定位。這意味著來自這些傳感器的錯誤可能會更加復雜。因此，加速度計和磁力計的低噪聲性能對于實現(xiàn)9軸系統(tǒng)的精度至關重要。

傳感器之間的同步也很關鍵。如果加速度計的讀數(shù)與在不同時間捕獲的磁力計的讀數(shù)相關聯(lián)，則可能會導致MagGyro輸出出現(xiàn)錯誤。使用外部組件時，設計緊湊的電路以確保這些傳感器的精確同步可能很困難。為了簡化設計，許多設計人員更喜歡通過使用將加速度計和磁力計結合在一起的單個組件（例如KMX62G）來消除同步問題。此外，磁力計的等待時間可能會因其基礎技術而異。KMX62中的磁力計是市場上最低的延遲之一。這樣可以實現(xiàn)加速度計和磁力計之間數(shù)據(jù)的精確同步，并實現(xiàn)了Kionix的MagGyro解決方案的高性能。

KMX62G MagGyro的最后一部分是模擬陀螺算法的軟件實現(xiàn)。這些算法由許多功能組成，實現(xiàn)的質(zhì)量決定了系統(tǒng)的整體性能，進而決定了用戶體驗。這些算法在主機處理器或傳感器集線器上實現(xiàn)。提供了應用程序編程接口（API）來簡化產(chǎn)品設計。受支持的平臺包括高通的Snapdragon和Atmel的AVR UC3和基于ARM的SAM D20。KMX62G還通過了Windows 8和8.1認證。

準確的MagGyro算法實施起來相當復雜。例如，平均信號可降低噪聲。但是，平均會花費時間，從而影響等待時間和響應能力。為了最大程度地提高準確性，Kionix利用了可動態(tài)調(diào)整平均值的自適應軟件。當系統(tǒng)運行迅速且較小的錯誤不太明顯時，平均會減少以提高響應速度。同樣，當移動較小且響應性不太重要時，平均會增加以提高準確性。根據(jù)當前使用系統(tǒng)的方式，這可提供最佳的用戶體驗。

對人類用例的關注是Kionix為其KMX62G MagGyro提供的價值的一部分。它在人類感知和用戶體驗應用方面表現(xiàn)出色。它通過權衡一些性能來做到這一點，從而提高了用戶的體驗。通過設計其算法以提供高質(zhì)量的體驗，Kionix使KMX62G能夠以經(jīng)濟高效的方式將新功能帶入全新的應用領域。

評估傳感器融合算法時要考慮的另一個因素是數(shù)據(jù)處理要求。要考慮的關鍵指標是MIPS，代碼空間和RAM空間。消耗過多系統(tǒng)資源的算法實際上會增加系統(tǒng)成本。如果它們對主機處理器或傳感器集線器造成過多負擔，它們甚至可能影響設備的主要功能并降低整體用戶體驗。在軟件加載方面，MagGyro算法需要少于3個MIPS。此外，它可以在具有低至128 KB閃存和32 KB RAM的系統(tǒng)上運行。這是傳感器校準，磁異常抑制，傳感器融合和合成陀螺儀計算所需的全部。對于能夠提供9軸數(shù)據(jù)（包括陀螺儀功能）的價值而言，這是一個合理的負擔。

隨著KMX62G MagGyro的問世，現(xiàn)在可以從陀螺儀功能中受益的下一代消費電子系統(tǒng)是一種經(jīng)濟高效的選擇。通過權衡適當?shù)男阅芩?，與基于物理陀螺儀的系統(tǒng)相比，KMX62G具有更低的成本，更高的電源效率和更小的占位空間。

編輯：hfy