如何实现MEMS传感器融合的几种方法和工具分析介绍

传感器融合--为了提高应用或系统的性能，将来自多个传感器的数据进行智能组合，为MEMS产业带来了蓬勃的发展机会。由于潜力诱人，其带来的益处包括有能力满足异构嵌入式系统中功耗、性能、成本要求（包括手机和平板电脑），因此传感器融合正在迅速走向商业化。

我们调查了几个MEMS产业联盟(MIG)成员企业各自的传感器融合方法，提供一个行业解决方案的大概情况。意法半导体的MEMS产品市场经理Jay Esfandyari说：“ST的传感器融合使用了一系列数字滤波算法来弥补分立传感器在输出动态信息精度上的不足，如可以用于定位服务 ”。虽然“传感器融合”在技术词典中有描述，但是“多传感器数据融合”才更准确地描述了这一功能。

Movea（已被InvenSense收购）全球营销经理Dave Rothenberg，已经加入意法半导体数据融合“阵营”。他解释说,“在芯片上普遍需要越来越多额外的传感器，我们同时看到了支持新的数据资源的需求。传感器数据融合不仅来自传感器，而且还来自如地图数据和生物力学数据。”

飞思卡尔半导体系统工程师Mike Stanley说过，如果实现传感器融合，整体一定大于各个部分的总和。他指出，“传感器融合让设计师权衡各种传感器的优点和缺点以达到更优化”“利用传感器之间已知数据的冗余和利用系统传递函数、动力学、运动学的知识，传感器融合提高了计算结果的总体质量和噪声水平。

Kionix 的市场总监Ed Brachocki指出传感器融合的技术推动因素是“移动操作系统如微软的WIN8和谷歌的安卓增加了多使用多传感器应用的支持。”他说到“它们推动了灵活、可扩展软件方案的需求，这些方案可以实现资源的智能管理。”

作为MEMS联盟生态系统成员，这些MIG成员在解释传感器或数据融合“是什么？”和“为什么？”上彼此分享了大量共同的理念。但是对于“怎么做？”时，却显得各有绝活。

融合库软件

Bosch Sensortec的电子罗盘传感器融合库支持3轴的地磁传感器和3轴加速计。实现了6轴自由度（DOF），这个软件可以支持倾斜补偿、加速电子罗盘、校正两极磁性偏移和加速计数据输出。

在2012年的国际消费电子展上，Bosch Sensortec 将6轴的解决方案扩展到完整的9轴传感器融合库，通过增加3轴陀螺仪支持。传感器融合软件给厂商为导航和运动控制提供了一个完整的即插即用系统解决方案。

Bosch Sensortec 给消费者提供了适应不同风格的安卓、Windows Phone以及其他操作系统架构的带传感器融合解决方案的软件库版本。

传感器融合能带来事半功倍的效果，根据Bosch Sensortec全球市场总监Leopold Beer所说：“智能传感器融合软件不仅增加了原始传感器数据到一个系统，而且它通过先进的算法增强了输出结果。这把设计工程师将多个传感器集成到一个应用的重压下解放出来，从而加快了从设计到出货的周期。”

代码融合

针对它的磁性罗盘，飞思卡尔提供了先进的6轴（加速器和磁强计）融合代码。公司包括硬件/软件铁磁补偿解决方案，自动纠正多种形式的磁场畸变引起的错误。他们还提供了一个简单测量代码，它可以直接在他们的MMA955xL 智能运动传感平台运行。

如果使用专门的飞思卡尔的Xtrinsic传感器，飞思卡尔的基本电子罗盘（被称为Ecompass）的传感器融合软件可以直接以源代码提供了。简单测量法和先进的磁强计补偿程序只针对飞思卡尔产品。飞思卡尔正在利用陀螺补偿磁强计和加速器读数来开发一个9轴的解决方案。2012年，该公司在Android / Windows的堆栈面向更高水平提供信息进行定位服务，增强现实技术和其他先进的应用程序。（请看图1）

图1 飞思卡尔的Xtrinsic传感器融合算法允许设计师延伸智能手机、平板和其他智能设备的体验，它需要多传感技术和移动智能传感系统。

可扩展式融合

在2012年国际消费电子展上，Kionix正式推出了它的融合解决方案，完全可扩展，新的融合软件可用于加速计和磁力计(AM)、加速计和陀螺仪(AG)、加速计、磁力计和陀螺仪(AMG)组合。Kionix软件瞄准的目标是智能手机、平板电脑和其他移动设备，支持实时的、带浮点 32位的手机操作系统包括Android和iCore Windows 8。

新软件可以兼容Kionix传感器。它还针对手势识别,活动监视或其他可取的功能提供第三方传感器以及第三方或定制开发软件。

融合套件

来自意法半导体的 iNEMO 引擎传感器套件是基于卡尔曼滤波理论，并且使用了一系列自适应预测和滤波算法，这使得来自多个传感器（包括加速度计、陀螺仪(图2)指南针和压力传感器）的复杂信息变得有意义了。

软件自动纠正传感器之间的测量失真、误差和干扰，提高动作感应的实用性。意法半导体的iNEMO 引擎传感器融合套件包括iNEMO 引擎精简版（一个免费的运动检测系统评估的软件库）和iNEMO 引擎专业版（一个针对多个传感器输出处理的带数据融合算法的编译好的软件库），可定制不同的操作系统和硬件平台。iNEMO（使用意法半导体或者第三方的传感器）是一个物有所值的引擎。

深度融合

运动处理软件专家Movea的目标也是让传感器更容易使用。通过与合作伙伴紧密配合，希望能将其软件作为固件放在内存中，或者甚至是用硬件实现算法。同时，Movea提供工作来帮助开发者编写自己的应用软件。

更多传感器处理能力的需求促使传感器中枢（SensorHub）的出现，Movea为传感器中枢提供固件，不同应用固件不同：消费电子嵌入手势控制固件、体育运动嵌入运动轨迹跟踪固件。Movea现在与Freescale合作，将运动处理软件以固件形式植入Freescale的基于微处理器的传感器中枢。这两家公司计划共同推出应用方案开发板，包含处理器、传感器和软件，可以实现运动监测、导航和增强现实，目标客户为手机制造商。

在传感器供应生态系统中，Movea 具有特殊的地位。Rothenberg 解释说，该公司和所有的主流传感器供应商有着横跨多个产品领域的合作关系。它提供了深入传感器内部的软件解决方案。通过“化学运动”确定了人类运动的基本要素。这些“原子”元素，可以组合起来建立一个更丰富的，更复杂的，具有终端用户运动特性的分子。然后我们开发一个灵活的“化学”框架与工具，使我们和我们的客户在几天内快速获取新的高大上功能。

当被问及传感器融合将如何发展时Rothenberg预测移动设备将发展成为插满不同的传感器的“传感器Hub”他补充说Movea除了加速计、磁力仪、陀螺仪还在攻克压力和声音传感器。

（编者注：2014年7月12日，智能传感器解决方案公司InvenSense（NYSE: INVN）宣布将收购全球领先的运动数据融合公司Movea。InvenSense旨在通过此次收购在运动传感器和联网式（GPS/WIFI）运动数据追踪技术方面得以提升，此项收购的规模为8100万美元，其中现金部分为7500万美元）

美好的开始

随着MEMS运动传感器硬件和软件的供应，给传感器/数据融合带来了井喷式的市场。OEM厂商能更轻松地在终端用户应用程序中更好地增强动作感应功能。无论如何，最后受益的都是消费者，因为手机/平板电脑/电子阅读器/游戏控制器在不久的将来会一定牢牢吸引他们，在这个美好的道路上，我们的梦想才刚刚启航。