智能傳感創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)

欄目：公司新聞發(fā)布時(shí)間：2018-04-23

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2018年4月13日，蘇州捷杰傳感應(yīng)中國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)邀請(qǐng)，參加了在南京舉辦的MEMS技術(shù)論壇—智能傳感，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。首席科學(xué)家蔡浩原博士作為受邀嘉賓，做了題為《新型智能傳感器模塊》的特邀報(bào)告，與業(yè)內(nèi)專(zhuān)業(yè)人士分享和探討傳感技術(shù)如何創(chuàng)新改變生活。

1.何為智能？

近年來(lái)，“智能”二字在業(yè)界和投資界都非常熱門(mén)，受到大家的追捧。那么智能的定義或者標(biāo)準(zhǔn)是什么呢？

人工智能的鼻祖阿蘭.圖靈早在上世紀(jì)50年代，就為“人工智能”給出了一個(gè)很通俗易懂的定義：“如果一臺(tái)機(jī)器能夠與人類(lèi)展開(kāi)對(duì)話(huà)（通過(guò)電傳設(shè)備），而不能被人類(lèi)辨別出其機(jī)器身份，那么這臺(tái)機(jī)器可被稱(chēng)為具有智能”。這一標(biāo)準(zhǔn)提出幾十年來(lái)，盡管時(shí)不時(shí)有研究者或者公司宣稱(chēng)研究出達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)的人工智能軟件，然而實(shí)際使用中，還有很長(zhǎng)的道路需要走。

具體到智能傳感器的定義，IEEE協(xié)會(huì)和教科書(shū)上給出這樣的定義：“智能傳感器是一種將敏感元件、信號(hào)處理電路和微處理器集成，兼具信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器?！薄?br/>

這樣的定義為智能傳感器定義了一個(gè)硬件系統(tǒng)框架，然而，按照這樣的定義，我們目前在工業(yè)、消費(fèi)電子領(lǐng)域使用的傳感器基本都可稱(chēng)為智能傳感器。顯然，這樣的智能的標(biāo)準(zhǔn)太低了。

我們認(rèn)為，智能傳感器應(yīng)該對(duì)外界信息具有一定的檢測(cè)、自診斷、數(shù)據(jù)處理以及自適應(yīng)能力的傳感器。這里，“自適應(yīng)”是判斷傳感器智能與否的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。傳感器在安裝部署后，會(huì)受到溫度、濕度、振動(dòng)、時(shí)間等各種外界因素的影響，能否適應(yīng)外界條件的變化，給出滿(mǎn)足精度要求的讀數(shù)，是智能為傳感器帶來(lái)的最大好處。

另外，由于微處理器的加入，使得多種傳感器信號(hào)融合成為可能，結(jié)合多種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，有可能為我們帶來(lái)更高精度的傳感器。

蔡浩原博士介紹了9軸運(yùn)動(dòng)傳感器和GPS/IMU兩種新型智能傳感器模塊，并結(jié)合自己在傳感器行業(yè)多年的經(jīng)驗(yàn)，介紹智能傳感器給這個(gè)行業(yè)帶來(lái)的新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2.9軸運(yùn)動(dòng)傳感器

9軸運(yùn)動(dòng)傳感器包含了3軸加速度計(jì)、3軸陀螺儀和3軸磁強(qiáng)計(jì)。這3種傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)，比如加速度計(jì)可以感應(yīng)重力矢量，提供俯仰角和翻滾角的信息，然而它的噪聲較大，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)不好；磁強(qiáng)計(jì)可以感應(yīng)地磁矢量，提供一個(gè)不會(huì)隨時(shí)間漂移的航向角信息；陀螺儀具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，但是由于積分特性，微小的偏置隨著時(shí)間積分，會(huì)產(chǎn)生巨大的漂移。

通過(guò)融合這三種傳感器的數(shù)據(jù)，就有可實(shí)現(xiàn)一個(gè)測(cè)量航向角、俯仰角和翻滾角的運(yùn)動(dòng)傳感器模塊。

運(yùn)動(dòng)傳感器的應(yīng)用十分廣泛，可應(yīng)用于動(dòng)作捕捉、AR/VR和機(jī)器人等消費(fèi)電子和工業(yè)場(chǎng)合，可以說(shuō)，所有與運(yùn)動(dòng)檢測(cè)相關(guān)的領(lǐng)域，都需要用到運(yùn)動(dòng)傳感器。

通過(guò)介紹常用的三種數(shù)據(jù)融合算法：（1）擴(kuò)展卡爾曼濾波法（EKF）；（2）梯度下降法；（3）互補(bǔ)濾波方法。這三種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，EKF方法濾波效果較好，可以動(dòng)態(tài)迭代多個(gè)參數(shù)，但運(yùn)算復(fù)雜度較高，很難在資源有限的嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，另外的兩種方法運(yùn)算復(fù)雜度低，但對(duì)動(dòng)態(tài)幅度大的場(chǎng)合，誤差較大。

我們提出了一種融合EKF和互補(bǔ)濾波的融合算法，能夠（1）智能檢測(cè)和消除陀螺儀零點(diǎn)偏置；（2）根據(jù)外部振動(dòng)幅度，自適應(yīng)的調(diào)整濾波參數(shù)；（3）自動(dòng)磁場(chǎng)校準(zhǔn)，抗外部磁場(chǎng)干擾。

通過(guò)與某知名品牌的模塊進(jìn)行對(duì)比，我們的算法與該模塊的性能在+/-1度以?xún)?nèi)。

● 融合EKF與互補(bǔ)濾波方法

● 智能估計(jì)陀螺儀零值偏置

● 自動(dòng)根據(jù)振動(dòng)幅度，調(diào)整濾波參數(shù)

● 磁場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)

  與某知名品牌 9軸模塊對(duì)比

MA10靜態(tài)性能演示

磁場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)

MA10在A(yíng)R眼鏡上的應(yīng)用
   MA10可能是市面上最小的9軸模塊

3.高精度車(chē)載GPS/IMU模塊
隨著智能時(shí)代的到來(lái),車(chē)載GPS導(dǎo)航已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用,但是由于衛(wèi)星導(dǎo)航本身的技術(shù)缺陷，在高樓林立的城市道路上、高架橋下、大樹(shù)旁、地下隧道和地下停車(chē)場(chǎng)等場(chǎng)所，衛(wèi)星信號(hào)變的非常弱，甚至完全丟失，此時(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航就變得無(wú)能為力，根本無(wú)法提供準(zhǔn)確的車(chē)輛定位信息，有人開(kāi)車(chē)錯(cuò)過(guò)岔道甚至將車(chē)直接開(kāi)入河中也是“情有可原”。

在軍工領(lǐng)域已經(jīng)擁有整套的解決方案，即衛(wèi)星+慣導(dǎo)融合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，但其高昂的價(jià)格讓人望而卻步，根本無(wú)法在車(chē)輛上批量化應(yīng)用。蘇州捷杰推出Geniitek-MG10就是一款低價(jià)高性能民用車(chē)載亞米級(jí)智能導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含支持北斗和GPS的衛(wèi)星定位接收芯片、三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)等，通過(guò)在線(xiàn)的自適應(yīng)智能導(dǎo)航算法，提供實(shí)時(shí)高精度的車(chē)輛定位、測(cè)速和測(cè)姿信息，解決了困擾車(chē)載高精度導(dǎo)航的“難點(diǎn)”。