Warum müssen Kompass-Chips in Mobiltelefonen häufig kalibriert werden?

Die meisten Mobiltelefone bieten eine digitale Kompassfunktion, die einen 3-Achsen-Magnetometer-Chip für Daten verwendet. Telefone (einige mehr als andere?) erfordern häufig eine "Neukalibrierung" des Benutzers, bei der das Telefon in einem "wirbelnden" oder anderen Muster gedreht wird, um Messwerte über einen Bruchteil einer Kugel zu füllen, die die verschiedenen Ausrichtungen in Bezug auf das lokale Feld darstellen.

Die Diskussion in dieser Antwort auf die ∞-förmige Kalibrierung des Magnetometers sowie die 3D-Datendiagramme geben einen hervorragenden Überblick darüber, was mathematisch passiert. Grob gesagt werden sechs Parameter – eine Verstärkung und ein Offset für jede der drei Achsen – an einen Datensatz angepasst, der über einer Wolke von Datenpunkten gesammelt wird, die mindestens einen Teil dieser Kugel abdecken.

Ich habe dies selbst mit einem Magnetometer gemacht, das an ein Arduino angeschlossen ist und offline passt. Der von mir verwendete Low-Cost-Chip schien stark zu driften (achten Sie darauf, dies im Freien und fern von offensichtlicheren Fehlerquellen oder Gradienten wie Eisenmaterialien in der Nähe oder anderen möglichen Feldern zu tun). Ich bemerkte, dass die Offsets genauso viel zum Drift beizutragen schienen wie die Gewinne, wenn nicht sogar mehr.

Frage: Was genau driftet in den Magnetometersensoren in neueren High-End-Handys, die immer noch häufig neu kalibriert werden müssen? Ist es nur die Temperatur? Wenn ja, warum sollten die Magnetometer nicht intern temperaturstabilisiert sein? Ist es zu schwierig, analog zu arbeiten, und die Magnetometer können keine Offsets berechnen?

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oben: Nachdem ich eine Million Dollar für ein sehr schönes Telefon bezahlt habe, fühle ich mich wie ein Idiot, der dies tut (von support.google.com/maps ), während ich auf einem Fahrrad an einer belebten Straßenecke balanciere oder bei einer Wanderung eine schöne Aussicht genieße. Mein iPhone lässt mich eine viel längere, alberne Videospiel-ähnliche Aufgabe durchlaufen, bevor es überhaupt anfängt, mir etwas Nützliches zu sagen. Ich trage manchmal einen normalen Kompass, weil er einfach funktioniert.

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oben: Screenshot aus dieser netten Diskussion der Prinzipien und Mathematik hinter Magnetometer-basierten Kompasskalibrierungen. Hier ist eine andere .

Ich wage zu vermuten, dass Hall-Sensoren in einem Smartphone mit einem Bruchteil des Stroms arbeiten, den Sensoren in Laborqualität verwenden (Ampere und zehn Ampere), sodass sie zunächst ein schlechtes SNR haben. All das Eisen und Nickel in der Nähe (und die Magnete in den Lautsprechern) zu haben, macht die Sache noch komplizierter. In einem solchen Fall würde eine langfristige thermische Kompensation nicht viel nützen, daher besteht die einzige Möglichkeit darin, den Sensor genau unter den Bedingungen zu kalibrieren, unter denen er verwendet werden soll.
@DmitryGrigoryev Ich dachte, es wären magnetoresistive Geräte - Sie sagen, dass es Hall-Effekt-Sensoren sind? (Hier ist ein Beispiel für eines, das ich eigenständig mit dem Arduino verwendet habe: HMC5883L. Es ist ein paar Jahre alt, aber es heißt, dass es " zu den empfindlichsten und zuverlässigsten Niederfeldsensoren der Branche gehört ". im Telefon ist interessant.
@DmitryGrigoryev, damit die Chips nicht wesentlich driften - Sie sagen, es sind nur andere eisenhaltige und / oder magnetische Komponenten im Telefon? Die Chips (die in High-End-Telefonen verwendet werden) sind stabil?
Ich weiß nicht, deshalb habe ich nur einen Kommentar geschrieben, keine Antwort. Verzeihung.
@DmitryGrigoryev nein Entschuldigung! Es ist wirklich hilfreich! Es könnte tatsächlich die richtige Antwort sein. Die Kalibrierung für die sogenannten "Soft-Iron"- und "Hard-Iron"-Effekte ist nicht trivial. Wenn Materialien im Telefon mit dem Erdfeld interagieren, müssen Sie das Telefon wirklich physisch drehen, um es zu kalibrieren. Aber das Erdfeld ist wirklich ziemlich konstant über 5 Minuten, selbst wenn ich mich bewege, also bin ich mir nicht sicher, warum ich es so verdammt oft tun muss.

Antworten (2)

Nun, während das Magnetfeld der Erde kurzfristig ziemlich konstant ist, ist die Umgebung, durch die Sie sich bewegen, möglicherweise nicht so.

Jeder elektrische Strom in der Nähe erzeugt um sich herum ein Magnetfeld. Ein Großteil dieser elektromagnetischen Felderzeugung ist Wechselstrom, der die Richtung 60 (oder 50) mal pro Sekunde wechselt. Wenn der Strom in Paaren von Drähten übertragen wird, die nahe beieinander verlegt sind (z. B. im selben Kabelkanal/Kabelkanal), neigen die Felder in den beiden Drähten dazu, sich gegenseitig aufzuheben. Gleichströme können jedoch durch die Erde fließen und tun dies auch, und dies kann das lokale Magnetfeld beeinflussen. (Das Massepotential zwischen Gebäuden kann groß genug sein, um zwischen Gebäuden angeschlossene elektronische Geräte zu beschädigen, weshalb für diese Fälle eine optische Isolierung empfohlen wird.)

Jedes eisenhaltige Objekt in der Nähe kann das Erdmagnetfeld lokal „verzerren“. Laternenpfähle, Gebäude mit Stahlrahmen, Gebäude aus Blech, Bewehrungseisen usw. können alle die lokale Messung des Erdmagnetfelds beeinflussen.

Auch Eisenerzablagerungen unter Ihren Füßen können das Erdmagnetfeld lokal etwas verändern.

Aufgrund all der potenziellen lokalen Interferenzen mit dem Erdmagnetfeld ist es nicht ungewöhnlich, dass eine Neukalibrierung erforderlich ist, wenn man sich durch das Magnetfeld bewegt. Und wenn Sie in einem Bereich mit Interferenzen neu kalibrieren, müssen Sie, wenn Sie sich aus diesem Bereich herausbewegen, erneut neu kalibrieren ....

Ich verstehe was du meinst. Diese Dinge beeinflussen sowohl die Richtung als auch die Größe des lokalen Feldes. Während die Kalibrierung nichts über die Richtung des betroffenen lokalen Felds aussagen kann, würde die Änderung der Stärke (z. B. von 0,3 auf 0,4 Gauss) aufgrund anderer Komponenten im Telefon, die mit dem Feld interagieren, eine Neukalibrierung erfordern. Danke!
Ich glaube, das ist überhaupt nicht die richtige Antwort. Die Notwendigkeit einer Kalibrierung hat mit MEMS zu tun, die Offsets und Linearität ändern. Wenn diese Antwort richtig wäre, müsste auch der "alte Nadelkompass" neu kalibriert werden (na ja, sie brauchen eine Feinkalibrierung und dergleichen, überhaupt nicht die Art von Kalibrierung, die der Kompass von Telefonen benötigt ...). Übrigens ändert sich die Ausrichtung ("Deklination") der Erdmagnetfelder um wenige Grad pro Jahrhundert...

3-Achsen-Magnetometer haben 3 Kanäle, die alle einen Offset und eine Verstärkung haben. Der Offset ändert sich mit der Temperatur und kann sich im Laufe der Zeit ändern und ist eine unbekannte Konstante (insbesondere die Verstärkungen auf jedem Kanal). Dies wird durch den Sensor und die analoge Elektronik verursacht, die das Signal in den ADC einspeisen. Sie kalibrieren nicht nur den Magnetometer, sondern auch den Beschleunigungsmesser und/oder den Kreisel. Dies liegt daran, dass alle Daten von den Sensoren in einen Kalman-Filter eingespeist werden, der ein statistischer Filter ist. Kurz gesagt, es aktualisiert seinen Zustand basierend auf den besten Informationen von den Sensoren. Es ist einfach zu kalibrieren, wenn Sie andere Informationen haben. Es ist einfacher (aber nicht notwendig), zwei Achsen gleichzeitig zu kalibrieren, daher müssen Sie bei den meisten Telefonkalibrierungsroutinen zwei Achsenbewegungen ausführen.

Informationen zu Drift und Kalibrierung bei Magnetsensoren finden Sie hier . Kalman-Filter sind interessant und auch, wenn sie auf Freiheitsgrad-(DOF)-Sensoren angewendet werden . Andere Sensoren (nicht nur das Magnetometer) unterliegen Drift.

Danke! Ändert sich also hauptsächlich der Offset und nicht die Verstärkung? Warum würde es sich (eigentlich) mit der Temperatur ändern - ist es die analoge Elektronik auf dem Chip (die vermutlich temperaturkompensiert sein könnte) oder das manetoresistive Gerät selbst?
Beide ändern sich mit der Temperatur und es gibt auch magnetoresistive Effekte, die sich ändern können, wenn sie einem großen Magnetfeld ausgesetzt werden. Offsets sehen aus wie Achsendrift im Laufe der Zeit. Die Telefonkalibrierung kalibriert meistens alle Sensoren und den Kalman-Filter und kalibriert auch das Magnetometer
OK, ich habe nie darüber nachgedacht, dass der Kalman-Filter für den Kompass regelmäßig neu kalibriert werden muss, das ist interessant! Können Sie helfen, irgendwo unterstützende Informationen dafür und für die "magnetoresistiven Effekte, die sich ändern können" zu finden? Ich denke, Sie konzentrieren sich wirklich auf eine gute, solide Antwort!
Vielleicht möchten Sie betonen, dass das Vorhandensein einer unbekannten Verstärkungskonstante nicht das Problem für einen Kompass ist, sondern die Tatsache, dass sie in jeder Richtung unterschiedlich sind. Tatsächlich führt die Art und Weise, wie diese Sensoren gebaut sind, in eine Richtung mit einer völlig anderen Verstärkung als in die anderen beiden Richtungen.
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