【导读】可穿戴设备的兴起促使运动传感器技术遍地生花。例如智能手机、电视遥控器、视频控制台、个人训练设备等等应用层出不穷。对于3轴地磁传感器，可谓是可穿戴设备中的关键。本文就来为大家精讲3轴地磁传感器的大起底。
3轴地磁传感器
地磁传感器用于测量地球的磁场，进而推导出航向。历史上曾用于罗盘的地磁传感器如今被大批量用于种类广泛的应用，包括汽车罗盘(在后视镜中)、手表、雷达探测器、传动轴和机器人。然而，真正广泛的采用起始于iPhone3GS，它是美国首款包含罗盘并得到广泛普及的智能手机。
磁力传感器的主要问题是它们测量所有磁场，不仅是地球磁场。例如，像电池或含铁元件等系统元件将干扰传感器附近的磁场。这些被认为是系统内的固定干扰，可以通过校准进行补偿。
更大的问题是改变局部磁场会临时性地干扰航向信息。桌椅上的金属部件、开过的汽车、附近的其它手机和电脑、窗框、建筑物内的雷达等物件都会干扰读数。补偿这些磁场和其它瞬时地磁异常要求开发出复杂的算法，以便有效地将地球的磁场与其它临时性“侵入”磁场区分开来。
详细了解地磁传感器
在今天的消费电子产品中使用最广泛的地磁传感器是霍尔效应传感器。这种传感器主导消费市场的原因是体积小、价格低并且节省功耗。但这种传感器同样有噪声，很容易受其它磁场干扰，这些问题如果不校正将限制其向陀螺仪提供正确航向数据的能力。然而，如果能够接受稍大尺寸的永磁感应式地磁传感器，就可以在不牺牲成本或功耗的情况下获得显着改进的噪声与分辨率性能。表1显示了霍尔效应和永磁感应传感器的规格。注意，永磁感应传感器可以提供明显更低的噪声和更高的分辨率。
表1：霍尔效应和永磁感应传感器规格
下图显示了地磁传感器在磁场强度为2.4mT数量级的固定位置旋转时输出的磁场读数。在图1中，传感器旋转了整整360°，而在图2中，传感器从0°旋转到90°。这两张图都绘出了霍尔效应传感器、永磁感应传感器和理想传感器的试验数据。
图1：当传感器旋转360°时的磁场读数
从图中可以看出，霍尔效应传感器的噪声要比永磁感应传感器大得多。这与器件参数规格一致，因为霍尔效应传感器的噪声指标为500nT，而永磁感应传感器噪声指标要低一个数量级，只有30nT。如图2所示，对霍尔效应传感器来说，可以在多个方向观察到2mT的磁场读数，而2mT的读数可以代表从5°到60°的任何航向。虽然超采样可以减少这种不确定性，但这种非常明显的传感器噪声差异确实会导致很大的测量不确定性。这种噪声差异和相关测量的不确定性将显着影响9轴传感器融合算法的性能表现。
图2：传感器旋转90°时的磁场读数
在9轴传感器融合系统中，加速度计和磁力传感器建立了一个长期的基准用于校正零偏变化。但磁力传感器读数中的噪声以及磁力传感器类型对零偏校正的效果有显着的影响。图3再次显示了随时间改变的零偏变化，但这次画出了未校正的、用霍尔效应传感器校正的、用永磁感应传感器校正的和理想输出的图形。值得注意的是，所用的传感器融合算法对两种传感器来说是相同的。
图3：随时间改变的陀螺仪零偏，包括校正和未校正的情况
从图3可以明显看出，使用永磁感应传感器的9轴传感器融合系统在尽量减小零偏变化方面做得比霍尔效应传感器要好。这种零偏漂移方面的改进直接得益于永磁感应传感器低一个数量级的噪声，因为霍尔效应传感器相对较高的噪声将在传感器融合算法中引入不确定性，进而减弱算法控制零偏的能力。永磁感应传感器可以更好地控制零偏漂移的能力将显着改善随时间变化的航向性能，如图8所示。我们在这里可以看到，与未校正系统相比，使用霍尔效应传感器的传感器融合系统的长期性能在8分钟内减少航向误差的效果高出2倍。但使用永磁感应传感器的传感器融合系统与未校正系统相比可以减少航向误差一个数量级，比基于霍尔效应磁力传感器的系统好5倍。
图4：随时间改变的航向误差。
结语随着使用永磁感应式地磁传感器代替霍尔效应传感器的9轴传感系统的广泛普及，精确定位移动所需的资源已经就位。首先要理解精度和准确度远高于目前的“移动接近”系统的运动跟踪世界可能性，然后才能明白这个世界中的增强现实将更具无限可行性、游戏玩起来更直观、基于位置的应用也将更具鲁棒性。
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