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Bosch Sensortec:SDF 提升整体感测效能

时间:2016-10-13 15:18来源:CompoTech China 作者:任苙萍 点击:
承袭博世集团在微机电 (MEMS) 的智慧资产,Bosch Sensortec 意图跳脱「组件供货商」格局,以软、硬件系统整合者自诩;为此,舍弃孤注一掷在单一技术的作法,Bosch Sensortec 选择多方押宝各种技术平台,期能发表惯性 (Inertial)、地磁 (Geomagnetic)、气压 (Barometric pressure) 和气体传感等组件,以及包括处理器和软件在内的完整解决方案。以传感整合为核心优势,辅以富含专业知识的「应用层级」软件作为策略蓝图,为不同应用量身打造一系列创新「ASSNs」(Application Specific Sensor Node,专用传感器节点) 产品。
 
软、硬件毕其功于一役,不须费力匹配或优化
Bosch Sensortec 亚太区总裁 Leopold Beer (百里博) 定调:加速计用以推估位移距离,陀螺仪和磁力计则负责提供航向数据;这些传感器输出讯号可透过软件系统做整体权衡,即是所谓的「传感数据融合」(Sensor Data Fusion, SDF),其效能对于软、硬件整合至关重要。他特别提到,经过实证,随机将组件与标准 SDF 软件混搭所产生的结果多半差强人意;于是,不少用户希望能一举获得传感器和 SDF 的整体传感效能。Beer 并预告,Bosch Sensortec 未来会有更多专精型产品问市,让设备制造商即使不具传感数据处理背景,也能从先进传感技术受益。
 

照片人物:Bosch Sensortec 亚太区总裁 Leopold Beer (百里博)
 
为满足不同市场需求,Bosch Sensortec 在九轴运动传感器 (Motion Sensor) 呈现分流发展:BMX160 以低功耗为目标,BMX055 则要求高效精准度;另有复合产品 (Combo),Bosch Sensortec 甚至连 SDF 软件与选配式气压传感器都为客户设想周到,备有相关支持。Beer 说明,「接口」亦是影响惯性量测单元 (IMU) 精准度的要素,包括输出数据速率与传感器芯片内、外的整体讯号链,故 Bosch Sensortec 除了通用产品之外,亦提供特定应用的复合产品,让制造商不需担心繁复的接口匹配问题。
 
Beer 认为,将传感器整合成单一组件不够,还需包括相关「预编程数据」(preprogrammed data) 处理单元。理由很简单:当传感器讯号越来越多,意谓 SDF 软件匹配、优化的复杂度也越来越高,此时,整合可处理各类传感器运算的 MCU 或 DSP,建构「传感器中枢」(Sensor Hub),会是较理想的方式,Bosch Sensortec 有 BNO055 和 BHI160 两款整合性产品因应;不但可分担应用处理器 (AP) 的传感数据融合运算,还能延长待机时间。
 
表:Bosch Sensortec 内置处理器的高整合传感产品

 

BNO055

BHI160

类型

九轴传感器模块:三轴 12-bit 加速度传感器、三轴地磁传感器和三轴 16-bit 陀螺仪

六轴惯性测量单元 (IMU):包括一个三轴加速度计和三轴陀螺仪

处理器

Atmel 32-bit MCU

Bosch Fuser Core 32-bit DSP

特色

1.       可提供传感器 (加速度/地磁/陀螺仪) 的单一数据,亦可提供组合数据

2.       适用于智能手机和穿戴装置

3.       是目前支持 Windows 8.1 的最小尺寸 Sensor Hub 产品

1.       Turnkey 智能传感器产品

2.       适用于需要 fusion 软件运作的使用情境

3.       专为 Android 应用设计——Android 5.0 (Lollipop) 传感器规范

4.       可透过内置功能软件更新订制或升级传感器功能规格,以支持未来 Android 新版本

5.       低功耗,低于 1.55mA;并可与外置磁力计实现九轴融合解决方案

 数据源:编辑部整理
 
运动传感+气压传感合体,惯性导航有其必要性
有鉴于现今智慧手机仰赖永不断讯的传感器来实现健身追踪、计步、室内导航和手势识别等应用,运动传感器大部分时间、甚至所有时间均处于联机状态;博世专为自家传感器融合和运动识别算法优化订制超低功耗 32 位处理器——Fuser Core,据称与 ARM Cortex 相较,可省下 90~95% 不等的功耗。此外,Bosch Sensortec 主张:将经过校准的惯性传感器软、硬件优化方案,结合卫星或 Wi-Fi 讯号,可让定位的功耗与效能达到最佳状态。
 
Beer 表示,全球导航卫星系统 (GNSS) 功耗较惯性导航高,且无法在建筑物内部运作、用于「行人航位推算」(Pedestrian Dead Reckoning, PDR),所以惯性导航有其必要性;即使 GNSS 讯号正常,运动传感器亦可在必要时提供绝对寻址。不过,惯性导航也不是毫无缺点;Beer 提醒,若传感器本身的精准度与质量不佳,惯性导航容易发生「航向误差」(Heading Error)。若借助九轴复合式运动传感器——整合加速计、陀螺仪和磁力计,搭配气压传感器强化楼层侦测 (floor detection),有助消弭此误差。
 

 图1:博世 Motion Sensor 可用于行动/穿戴装置、物联网、智能家居、游戏、影像设备及工业应用
数据源:Bosch Sensortec 网站
 
Bosch Sensortec 坚信,「传感融合样貌会受多重技术层面驱动,但应用需求始终是最根本的关键」。Beer 以扩增实境 (AR)/虚拟现实 (VR) 为例,为能即刻获知用户接口和装置的「绝对方位」(absolute orientation),加速度计、陀螺仪和磁力计缺一不可,九轴整合模块是必备款,但用户可依个别状况决定是否需要 µC & SDF 功能。在环境传感方面,逻辑上需要被监测的是独立参数,如:温/湿度和挥发性有机化合物 (VOC) 浓度检测。他再三重申,实际应用将定义整合型式;例如,水冷气系统须同时获取温/湿度数据和室内空气质量,作为输入参数。
 
环境失真衍生基本误差,须「微调」算法进行校正
Beer 透露,市面上许多 VR 头戴式装置皆是采用 BMI055 IMU 组件,在消费电子领域具有顶尖的精度与速度,且内部陀螺仪不需外加数位滤波器。由于不同运动模式 (8字型、慢速线性、快速和慢速旋转或游戏动作) 所采集到的方位、俯仰和滚转等数据计算涉及旋转加速度,使测量更加困难;若动态精度不够,用户在屏幕上所看到的移动,与装置实际运动之间将产生极大偏差。当 VR 从 2D 朝 3D 过渡,光学追踪是必要传感技术;可惜目前绝对寻址的灵敏度尚嫌不足,必须辅以高感度、低漂移的惯性传感器为使用者赋予感知能力。
 
 
图2:博世 AR / VR motion sensors 能预防晕眩的不适感,未来可进一步应用在零售、工业和社交沟通
数据源:Bosch Sensortec 网站
 
另须留意的是,磁力计本身会伴随环境失真 (environmental distortion) 和地磁振幅变异,存在补偿、敏感度容忍范围、交叉敏感性 (cross-sensitivity) 或温度偏移系数 (temperature coefficient of offset, TCO) 等基本误差。细究造成环境失真的变量包括硬磁干扰 (Hard Iron) 和软磁干扰 (Soft Iron)——前者是指材料经过磁化,即使去掉磁场,仍保留剩余磁化强度不易消除;后者为高导磁率材料在空间中对磁场的偏折效应,导致不均匀的磁场强度分布。凡此种种,皆有损电子罗盘精准度及使用者体验。因此,校正磁力计和环境因子是 SDF 的要务之一。
 
「校正磁力计的方法很多,最明智的是利用运动传感器推升高精度,因为可减少校正时间并节省系统功耗」,Beer 强调。Bosch Sensortec 以精确追踪使用者动作的高效加速度计和陀螺仪为基底,严谨地将所有传感数据同步化;不仅能预先处理传感器的噪声/补偿/敏感度,更可根据特定传感器及用户硬件设计「微调」算法的主要参数,聪明地辨别动作是否遭到扭曲,因而造就多元、广泛的产品,包括:九轴 BMX、BMI+BMM (6+3 axes)、BMC+BMG (6+3 axes)、BHI+BMM、BNO (9 axes + µC + eSDF),以及自行开发的 BSX SDF 算法。
(责任编辑:jane)
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