利用智能手机(Android)追踪一块磁铁（二）

在上一篇博客中提到了利用磁场强度推算传感器位置坐标的公式，下面就介绍怎么利用智能手机完成磁铁的追踪（任何具有磁感应器的装置均可以），这里主要是利用Android手机。

 

1：程序步骤：

1. 首先将磁铁放置在远离手机的位置，然后拿着手机在空中做"倒8"字运动（就是这个运动轨迹：）。这样做的目的就是标准化手机的磁感应器，因为磁感应装置很容易受到磁场的干扰变得不精准。
2. 将手机放置平稳，然后记录当前的磁场强度，作为"原始磁场"（这个磁场必须精准可以取多次的平均值）。Android开发中需要用到SensorEventListener类。
3. 然后将磁体放在距离手机20cm左右的距离，且磁铁位置在手机所在的水平线之上。之所以这么做是因为磁场强度和距离的k次幂成反比，如果太近会影响手机的磁感应器，太远磁场衰减的又太快。位于手机所在的水平线之上，是因为之前说过在xy平面上，上一篇所推的公式是不可用的。
4. 记录当前的磁场作为"中心磁场"， "中心磁场"减去"原始磁场"就是磁体在手机的磁感应器位置产生的磁场强度。然后根据上一篇的公式就可以计算一个"中心位置"。
5. 移动磁铁，根据磁场的变化就可以实时的减去原始磁场，然后计算出磁感应器相对于磁铁的位置。然后减去"中心位置"就是得到了一个"相对于中心位置"的"移动"。
6. 如图1：r1和r2的矢量位置可以通过上一篇的公式计算出来，然后r3=r1-r2就是磁铁相对于中心的移动位置，知道这个值就可以追踪磁铁的相对移动位置。

图1

 

2：磁场强度值的平滑滤波：

上述方法利用android进行编码后发现效果很差，主要是因为利用磁感应器得到的磁场值是不平滑的，磁场值无时无刻不在波动。造成了磁铁在定位时位置也在波动。如图2就是原始的未经过平滑过的磁场值，可以看到磁场的波动很大。图中的三个线就是磁场在xyz三个轴上产生的磁场值。

图2

因此需要对磁场值进行平滑滤波，我用的办法是卡尔曼滤波算法，有兴趣的可以去查一下资料，这里不做详细的介绍。主要介绍一下我针对本算法对卡尔曼算法做的一些改变。图3是卡尔曼的5个方程（图片中的-2应该改成-1），图4是针对方程的说明。因为这里磁场值为xyz三个轴上的分量为一维的值，所以用不到矩阵的计算，所以上述公式化简后是比较简单的（参考：http://blog.chinaunix.net/uid-26694208-id-3184442.html）。

图3

图4

这里需要针对Q和R两个参数进行说明，Q：说是噪声协方差矩阵，我理解就是Q的大小决定了最优值是更接近于测量值还是估计值。R：为过程噪声协方差，我理解就是再不做任何处理的情况下测量磁场值，然后根据测量值计算方差就是R，可以通过实验得到R的值。

而Q的值这需要进行判断，假设，K值就决定了Q的大小。当Q越大（k越大）时卡尔曼中的最优值就越接近于测量值，而Q越小（k越小）卡尔曼中的最优值就越接近于先验估计值。通俗的讲就是Q越大平滑的效果就越不好，而平滑后的值就越"跟随"（所谓的"跟随"就是原始测量值进行快速变化时，经过平滑过的值也很好的跟着变化）。而Q越小平滑的效果就越好，而平滑后的值越"不跟随"。

举个例子，假设测量的三个值为[0，1.0，0]，如果Q值很大那么平滑后的效果为[0，0.8，0]。而如果Q值很小平滑后的值为[0，0.1，0]。

所以必须找一个好的Q值做出"平滑"和"跟随"之间的平衡，在试验过程中我把k值设为-4结果平滑的效果不错，可以很好的定位磁铁的位置（第一篇博客中的演示视频中的k值就是-4）。之前说过演示视频不是最终的结果，然后我对Q值得计算做了一下设想：既然又要做到"平滑"又要做到"跟随"，那么就可以根据磁场值的变化动态的确定Q的值。即当磁场变化越大时就增加Q的值使之"跟随"，当磁场变化越小时就减小Q的值使之更加"平滑"。假设在卡尔曼滤波中，当前的测量值为，上一状态的最优值为。而两者之差的绝对值为，然后假设和k为的函数。

接下来就是确定函数，根据设想越大k就应该越大，而越小k越小。那么首先想到的就是线性函数（a，b为未知数）。得出的实验效果如图5（黑色线为原始磁场，绿色为平滑后的磁场），可以看到这种方法确实可以做到即"平滑"又"跟随"。但是仔细观察图片你会发现当磁场剧烈变化到平稳的过程中，"绿色"线总是不能很快的回到平稳状态（不能很快的接近黑色线）。

图5

    因为是平均映射，所以为了解决不能很快平稳的问题，需要一个"非平均映射"。即当变小时需要k值变小的速度要远大于，因此想到非平均映射函数log。因此假设（计算a和b的值可以找两个点带入计算，比如当为0.1时k=-7，为3.0时k=-1，然后计算a和b。这两个参数就可以很好的做到"平滑"和"跟随"）。然后得到实验结果如图6（黑色为原始磁场，蓝色谁平均映射，红色为非平均映射）：可以看出红色线的效果明显好于蓝色线。[注：上述关于卡尔曼滤波均是本人的理解，并不能保证理论上也正确。而实验结果还不错。如果有人有更好的方法或者意见请务必和我联系E-mail:[e-mail]]

图6

 

3：注意事项：

    上面的介绍就是编程需要的知识，我是在android进行实验的，在其他设备上也应该没问题。下面介绍一下需要注意的地方。

1. 实验前拿着手机"画"倒8字，为了标准化磁感应器。不然不标准的吃感应器没办法进行精确测量。
2. 保证磁铁在手机的上面和侧面，因为之前介绍过在xy平面上述的公式是不成立的。
3. 磁铁不要距离太远和太近，太远无法检测磁场，太近会影响磁感应器。

 

现在关于利用智能手机（Android）追踪磁铁的内容全部介绍完了，如果有人有问题，想法，兴趣等可以联系我E-mail:[e-mail]