无论是智能手机，可穿戴设备，虚拟现实耳机，还是机器人真空吸尘器，今天的用户都期望并要求这些设备始终如一地按照指令行事，以平稳，准确地适应不断变化的周围环境。这需要精确检测俯仰，滚转和航向，这是通过融合从加速度计，陀螺仪和磁力计收集的数据在设备内部制定的。
通常情况下，在现实世界中，事物永远不会像看起来那么简单。例如，准确确定航向（观测）方向是一项重大挑战，因为磁力计测量受到附近多个物体的负面影响。这些不希望的磁场影响，通常称为硬铁和软铁的扭曲，可以由位于设备本身内的各种元件和用户直接环境中的外部磁性物体引起。
本文旨在深入洞察和理解在当今电子消费设备中获取可靠传感器数据所需的有效设计技术和软件解决方案，并提高用户对最终产品的满意度。它将提供强大的传感器数据融合技术的示例，例如基于在标准使用期间获得的陀螺仪信号利用估计的磁力计偏移以及其对诸如行人和头部跟踪的用户相关特征的影响。
磁力挑战
由于智能手机导航应用程序给出了错误的指示，您是否曾从环形交叉路口出错？使用虚拟现实耳机时，您是否经历过突然恶心的晕车？或者你的“智能”机器人真空吸尘器是否反复卡在角落里？这些问题中的大多数至少部分地是由不精确的惯性传感器数据融合导出的不正确的航向信息的结果。那么，为什么高度精确的最先进的传感器仍然记录不准确的信息，并且有如此广泛的偏差？
在实验室外，地球所谓的恒定磁场的刚性直线不断被各种物体修改，如门框，桌子，椅子和其他金属物品。基于它们的特定磁特性，这些物体通过称为硬铁和软铁变形的现象改变其周围的磁场。
图1罗盘误差的来源：外部磁场
诸如钕铁硼，铝镍钴的硬磁材料（“硬铁”）诱导高残余B场或“磁记忆”，而软磁材料（“软铁”）通常是诸如铁（Fe），镍（Ni）的材料。 ），以及它们各自的合金。
当磁力计用于设备时，硬铁变形是由产生磁场的物体产生的，例如扬声器内的磁铁，导致传感器输出中称为“恒定偏移”的偏差，然后需要对其进行补偿。另一方面，软铁扭曲是由“被动地”影响或扭曲其周围磁场但不一定自身产生磁场的物体产生的，例如存储卡插槽，电池，无线天线，门窗框架和各种其他周围环境中的标准对象。这种类型的变形改变了磁球的实际形状，并且很大程度上取决于材料相对于传感器和磁场的取向。
如图2所示，在典型的室内区域，由于普通物体的存在引起的磁场畸变，罗盘方向变化很大，即罗盘的红色“北”针指向各个方向。
图2典型室内区域传感器读数（磁力计）的变化
因此，补偿硬铁和软铁扭曲对于获得有意义的磁力计读数至关重要。这种补偿在设备设计期间需要复杂的程序，并且在实际使用期间将结果结合到传感器的软件中，如本文中进一步描述的。
拥抱扭曲
以下系统方法用于补偿影响磁力计读数的失真：
1、使用软铁基质进行设计补偿
2、使用中的校准软件具有标准的“八字形运动”
3、具有“自然运动”的智能校准软件
使用软铁基质进行设计补偿
来自位于终端设备（例如智能手机）内部的组件的软铁扭曲是恒定的，因此可以通过使用一次性解决方案来补偿。这种补偿需要一个所谓的“软铁补偿矩阵”（SIC矩阵），设计师在设备中有更广泛的放置选项。这些补偿传感器读数具有更高的精度，即与未补偿读数相比±2°误差范围可以轻松达到±10°。使用3D线圈系统（亥姆霍兹线圈）进行校准，该线圈系统由在同一轴上对齐的两个螺线管电磁铁组成，可抵消这些不需要的外部磁场，从而提供“干净”磁环境。带有惯性传感器的设备被放置在这个干净的环境中，并进行测量以创建磁力计的原始数据记录，然后将其输入数据驱动工具，以生成SIC矩阵。然后将该SIC矩阵合并到软件驱动器中，并永久地补偿影响磁力计数据的设备内软铁失真。
由于这种方法可以在实验室条件下估算软铁效应，当然，在市场变化和附加物的影响无法得到补偿之后。然而，这是一种非常有效的器件内校准技术，在设计阶段强烈建议与传感器制造商的专家一起使用，他们可以准确地生成SIC矩阵并应用它们。
图3用于设备内磁力计校准的3D（亥姆霍兹）线圈
不幸的是，通常的情况是，当应用于实际PCB时，实验室校准结果根本无法准确地工作，其中创建了称为“禁区”的区域，使得这些装置如此不准确以致使它们实际上不可用。
3D软铁补偿技术大大减少了这个“禁区”。例如，当从NFC天线仅测量9mm的传感器数据失真时，在补偿之前，最大航向误差为8°; 而在补偿之后，所有海拔高度的最大误差仅为1.5°。
图4没有软铁补偿的磁球
图5带有软铁补偿的磁球