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

首先，應該注意的是，術(shù)語“傳感器融合”和“傳感器集成”通常可以互換使用，但實際上有所不同，如以下兩個定義和圖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使用這些信號源時更好。

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)識別下一代智能系統(tǒng)。當系統(tǒng)能夠根據(jù)捕獲數(shù)據(jù)的多個傳感器的輸入并使用捕獲的信息創(chuàng)建增強的智能系統(tǒng)時，系統(tǒng)能夠做出智能決策時發(fā)生傳感器融合。該集成數(shù)據(jù)提供了實現(xiàn)使用單個傳感器或一系列單個傳感器無法實現(xiàn)的目標的手段。

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傳感器。今天，更有可能是由幾個感覺設(shè)備提供的協(xié)同信息，這些設(shè)備一起完成任務(wù)。使用多個傳感器可以實現(xiàn)多個視點，更大的特殊和時間覆蓋范圍，減少模糊度，并且比單個傳感器提供更高的精度。

多感官集成和融合的應用包括：

遙感

設(shè)備監(jiān)控

生物醫(yī)學系統(tǒng)

運輸系統(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)備錯誤，噪音和缺陷以及有意義數(shù)據(jù)的提取有時仍然存在問題。其他挑戰(zhàn)包括對環(huán)境條件的任何改變作出反應的能力。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)驗豐富的設(shè)計工程師的練習。一個主要挑戰(zhàn)是正確權(quán)衡傳感器融合所需的成本和增強的性能權(quán)衡。當每個傳感器可以推斷或推斷出來，并且針對特定應用集成了許多傳感器時，結(jié)果肯定是增強的數(shù)據(jù)，速度和冗余。

毫無疑問，傳感器融合會產(chǎn)生大量的冗余效益，因為來自傳感器的信息會重疊。今天，用于處理有時屬于部分性或不確定性的數(shù)據(jù)的技術(shù)正在取得實質(zhì)性進展。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)。

最近的研究重點領(lǐng)域包括局部或分布式算法，其中傳感器節(jié)點與那些靠近的傳感器進行通信。當節(jié)點發(fā)生故障和網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時，這些算法特別有用。然而，這些算法的缺點是它們的性能在更全面的意義上并不是那么出色。另一個挑戰(zhàn)是基于其固有約束，利用微傳感器跟蹤移動目標的能力或缺乏能力。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)嵌入式算法和先進的軟件，如傳感器融合，通過運動的力量為終端應用提供附加價值。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。消費產(chǎn)品“拆解”顯示Kionix加速度計的產(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硅微機械加速度計，具有集成定向，分接/雙擊和活動檢測算法。使用等離子體微機械加工工藝制造感測元件。加速度感測基于來自感測元件的加速度引起的運動的差分電容，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，將感測元件密封在晶片級。與感測元件封裝在一起的獨立ASIC器件可提供信號調(diào)理和智能用戶可編程應用算法。

圖2：Kionix的KXTF9框圖。

加速度計采用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，方向分接檢測和活動監(jiān)控算法的更新。

9-和10-DoF

結(jié)合3D加速度計，3D陀螺儀和3D磁力計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。仔細研究移動設(shè)備中使用的傳感器類型，很容易看出3D加速度計，3D陀螺儀和3D磁力計正在成為標準功能。例如，可以通過使用方向余弦矩陣算法（DCM）和磁力計，陀螺儀和加速度計來實現(xiàn)對剛體（包括飛機，RC玩具，運動手表，智能電話等）的方向建模。 DCM算法計算剛體相對于地球自轉(zhuǎn)的方向。

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

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

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

工廠校準表征每個傳感器的靈敏度，偏置，對齊和線性加速度（陀螺儀偏差）。因此，每個傳感器都有自己的動態(tài)補償公式，可提供準確的傳感器測量。

很明顯，傳感器融合需要大量的MCU功率。因此，意法半導體（ST）宣布推出微型智能傳感器的細節(jié)，該傳感器將三軸加速度計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，可實現(xiàn)先進的自定義運動識別功能。

意法半導體將微控制器作為運行傳感器融合算法的傳感器集線器和高精度三軸數(shù)字加速度計組合到一個稱為iNEMO-A的單個封裝中（以區(qū)別于公司當前的iNEMO加速度計）/陀螺儀系列）。該器件降低了對主機控制器和應用處理器的需求，并降低了便攜式設(shè)備的功耗。這兩種優(yōu)勢為支持運動的消費電子產(chǎn)品的設(shè)計提供了更大的自由度和靈活性。將高分辨率線性運動傳感和傳感器集線器集成在一個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。