傳感器融合不僅僅是各個(gè)部分的總和。這是硬件和軟件集成的一項(xiàng)全面工作。本文重點(diǎn)介紹了傳感器技術(shù)發(fā)展方面的一些最新進(jìn)展，以及如何將硬件和軟件捆綁在一起以便更好地工作。

首先，應(yīng)該注意的是，術(shù)語“傳感器融合”和“傳感器集成”通?？梢曰Q使用，但實(shí)際上有所不同，如以下兩個(gè)定義和圖1所示。1

傳感器融合：感覺數(shù)據(jù)或來自感官數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)的組合，使得得到的信息在某種意義上比單獨(dú)使用這些信號(hào)源時(shí)更好。

多傳感器集成：傳感器數(shù)據(jù)的協(xié)同使用，用于系統(tǒng)完成任務(wù)。這與傳感器融合的不同之處在于傳感器融合包括將感覺信息實(shí)際組合成一種代表性格式。

圖1：傳感器融合和多感官集成的框圖。

傳感器融合的使用將繼續(xù)識(shí)別下一代智能系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)能夠根據(jù)捕獲數(shù)據(jù)的多個(gè)傳感器的輸入并使用捕獲的信息創(chuàng)建增強(qiáng)的智能系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)能夠做出智能決策時(shí)發(fā)生傳感器融合。該集成數(shù)據(jù)提供了實(shí)現(xiàn)使用單個(gè)傳感器或一系列單個(gè)傳感器無法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)的手段。

與在過去使用的音量和非集成傳感器不存在的情況下收集的數(shù)據(jù)相比，數(shù)據(jù)結(jié)合起來可以提供更準(zhǔn)確，完整和精確的信息。

如同以前的情況一樣，完成手頭任務(wù)并不總是在船上的各個(gè)傳感器。今天，更有可能是由幾個(gè)感覺設(shè)備提供的協(xié)同信息，這些設(shè)備一起完成任務(wù)。使用多個(gè)傳感器可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)視點(diǎn)，更大的特殊和時(shí)間覆蓋范圍，減少模糊度，并且比單個(gè)傳感器提供更高的精度。

多感官集成和融合的應(yīng)用包括：

遙感

設(shè)備監(jiān)控

生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)

運(yùn)輸系統(tǒng)

然而，即使使用傳感器融合，仍然存在挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)收集過程中的潛在設(shè)備錯(cuò)誤，噪音和缺陷以及有意義數(shù)據(jù)的提取有時(shí)仍然存在問題。其他挑戰(zhàn)包括對(duì)環(huán)境條件的任何改變作出反應(yīng)的能力。未使用或丟棄的信息量很高。確定將要什么和不需要的是留給經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)工程師的練習(xí)。一個(gè)主要挑戰(zhàn)是正確權(quán)衡傳感器融合所需的成本和增強(qiáng)的性能權(quán)衡。當(dāng)每個(gè)傳感器可以推斷或推斷出來，并且針對(duì)特定應(yīng)用集成了許多傳感器時(shí)，結(jié)果肯定是增強(qiáng)的數(shù)據(jù)，速度和冗余。

毫無疑問，傳感器融合會(huì)產(chǎn)生大量的冗余效益，因?yàn)閬碜詡鞲衅鞯男畔?huì)重疊。今天，用于處理有時(shí)屬于部分性或不確定性的數(shù)據(jù)的技術(shù)正在取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。同樣重要的是在以網(wǎng)絡(luò)為中心的環(huán)境中解決帶寬挑戰(zhàn)。

最近的研究重點(diǎn)領(lǐng)域包括局部或分布式算法，其中傳感器節(jié)點(diǎn)與那些靠近的傳感器進(jìn)行通信。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障和網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時(shí)，這些算法特別有用。然而，這些算法的缺點(diǎn)是它們的性能在更全面的意義上并不是那么出色。另一個(gè)挑戰(zhàn)是基于其固有約束，利用微傳感器跟蹤移動(dòng)目標(biāo)的能力或缺乏能力。訣竅是讓它們與一些但不是所有傳感器通信，以防止能量供應(yīng)消耗和網(wǎng)絡(luò)過載。

從游戲到平板電腦

Kionix繼續(xù)開發(fā)嵌入式算法和先進(jìn)的軟件，如傳感器融合，通過運(yùn)動(dòng)的力量為終端應(yīng)用提供附加價(jià)值。該公司采用專有的深硅等離子體刻蝕工藝（DRIE），在MEMS結(jié)構(gòu)中提供卓越的性能。該公司的“XAC”傳感元件可提供高穩(wěn)定性，抗沖擊和溫度性能，并最大限度地減少回流工作。消費(fèi)產(chǎn)品“拆解”顯示Kionix加速度計(jì)的產(chǎn)品范圍從Xbox Kinect到三星Galaxy平板電腦到摩托羅拉Droid手機(jī)以及Barnes和Noble Nook。 Kionix產(chǎn)品還用于汽車，健康和健身行業(yè)。

該公司的KXTF9（圖2）是三軸±2，±4或±8-g硅微機(jī)械加速度計(jì)，具有集成定向，分接/雙擊和活動(dòng)檢測(cè)算法。使用等離子體微機(jī)械加工工藝制造感測(cè)元件。加速度感測(cè)基于來自感測(cè)元件的加速度引起的運(yùn)動(dòng)的差分電容，其使用共模消除來減少由過程變化，溫度和環(huán)境壓力引起的潛在誤差。

通過使用玻璃料將第二硅蓋晶片粘合到器件上，將感測(cè)元件密封在晶片級(jí)。與感測(cè)元件封裝在一起的獨(dú)立ASIC器件可提供信號(hào)調(diào)理和智能用戶可編程應(yīng)用算法。

圖2：Kionix的KXTF9框圖。

加速度計(jì)采用3 x 3 x 0.9 mm LGA塑料封裝，采用1.8至3.6 VDC電源供電。 I2C接口用于與芯片通信，以配置和檢查方向，方向分接檢測(cè)和活動(dòng)監(jiān)控算法的更新。

9-和10-DoF

結(jié)合3D加速度計(jì)，3D陀螺儀和3D磁力計(jì)的典型傳感器融合解決方案稱為9-DoF（9自由度）或9-SFA（9-sensor融合）軸）解決方案。仔細(xì)研究移動(dòng)設(shè)備中使用的傳感器類型，很容易看出3D加速度計(jì)，3D陀螺儀和3D磁力計(jì)正在成為標(biāo)準(zhǔn)功能。例如，可以通過使用方向余弦矩陣算法（DCM）和磁力計(jì)，陀螺儀和加速度計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)剛體（包括飛機(jī)，RC玩具，運(yùn)動(dòng)手表，智能電話等）的方向建模。 DCM算法計(jì)算剛體相對(duì)于地球自轉(zhuǎn)的方向。

校準(zhǔn)的傳感器讀數(shù)被饋送到DCM算法，該算法提供相對(duì)于地球磁場和重力方向的方向的完整測(cè)量，由歐拉（滾動(dòng)，偏航和俯仰）角度表示。在智能手機(jī)等應(yīng)用中，德州儀器（TI）MSP430F5xx等低功耗MCU可通過I2C協(xié)議處理與運(yùn)動(dòng)傳感器的所有通信。

展望未來沒有理由，如果我們包含一個(gè)額外的傳感量，傳感器融合應(yīng)用無法擴(kuò)展到10-DoF（或10-ASF）解決方案。

例如，ADI公司的ADIS16480 iSensor器件是一個(gè)完整的慣性系統(tǒng)，包括三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)，以及用于動(dòng)態(tài)定向傳感的壓力傳感器和擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF） 。 ADIS16480中的每個(gè)慣性傳感器都將iMEMS技術(shù)與信號(hào)調(diào)理相結(jié)合，優(yōu)化了動(dòng)態(tài)性能。

工廠校準(zhǔn)表征每個(gè)傳感器的靈敏度，偏置，對(duì)齊和線性加速度（陀螺儀偏差）。因此，每個(gè)傳感器都有自己的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償公式，可提供準(zhǔn)確的傳感器測(cè)量。

很明顯，傳感器融合需要大量的MCU功率。因此，意法半導(dǎo)體（ST）宣布推出微型智能傳感器的細(xì)節(jié)，該傳感器將三軸加速度計(jì)與嵌入式微控制器結(jié)合在一起，采用緊湊的3 x 3 x 1 mm LGA封裝，可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的自定義運(yùn)動(dòng)識(shí)別功能。

意法半導(dǎo)體將微控制器作為運(yùn)行傳感器融合算法的傳感器集線器和高精度三軸數(shù)字加速度計(jì)組合到一個(gè)稱為iNEMO-A的單個(gè)封裝中（以區(qū)別于公司當(dāng)前的iNEMO加速度計(jì)）/陀螺儀系列）。該器件降低了對(duì)主機(jī)控制器和應(yīng)用處理器的需求，并降低了便攜式設(shè)備的功耗。這兩種優(yōu)勢(shì)為支持運(yùn)動(dòng)的消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了更大的自由度和靈活性。將高分辨率線性運(yùn)動(dòng)傳感和傳感器集線器集成在一個(gè)封裝中也有望提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性，據(jù)說非常適合電路板布局優(yōu)化。