図3：軟鉄による歪みの影響で、360°磁気データが歪み、円から楕円へと変形します。(画像提供：sensorsmag.com)

　硬化鉄と軟鉄による影響は、いずれも同時に発生する場合があることに注意してください。軟鉄による歪みを補償するための計算は、硬化鉄による歪みの補償に必要な計算よりも計算集約型です。したがって、軟鉄の材料をIMUの磁気センサから遠ざけるだけでも、効率性と費用効果が向上します。ただし、多くの場合は選択の余地がないため、補償の計算が必要になります。

　このようなアルゴリズムを実際のIMUソフトウェアに実装する場合は、次の手順と推奨事項を考慮してください。

・IMUセンサ信号はノイズフリーではないため、デジタルフィルタが必要になります。一般に、ある種のカルマンフィルタがIMUアプリケーションで使用されます。
・フィルタリングにおいても、IMUに関連した機械ノイズ、前述の硬化鉄および軟鉄による歪みなど、さらに誤差の原因になるものが存在します。こうしたノイズはフィルタで除去するか、データから削除する必要があります。
・アプリケーションの起動時には、IMUの静止中に実行される較正ルーチンが必要です。これは、可能な限り精度を向上させるには、物体の静止中にソフトウェアがセンサの読み取り内容を把握する必要があるからです。動作中の物体の真の加速度値は、加速度センサから取得した現在のサンプルから較正値を減算したものです。
・較正後に、センサ値は正または負のどちらかになります。したがって、これらの値を保持する変数を使用する必要があります。
・センサデータ用のサンプリング周波数を高速化することにより、さらに正確な結果が生成されます。ただし、サンプルを増やすと、より多くのコスト、より厳密なタイミング要件だけでなく、ハードウェアに関する他の考慮事項も必要になる可能性があります。
・サンプリング期間は完全に同じにする必要があります。サンプリング期間が一致しないと、データ誤差の原因になります。
・サンプル間(補間)の線形データ近似値はさらに正確な結果を生成しますが、処理時間がさらに長くなります。

　上記の説明により、IMUデータから方位、位置、モーションを決定するのに必要な計算が決して単純でないことは明らかです。したがって、多くの場合、IMUベンダーは自社の製品用にこれらの計算を実行するためのソフトウェアアプリケーションパッケージを提供しています。たとえば、STMicroelectronicsは、IMU機能を対象として同社のダウンロード可能なX-CUBE-MEMS1ソフトウェアの機能を拡張するMotionFXライブラリを開発しました。

　このライブラリ内のソフトウェアは、加速度センサ、ジャイロスコープ、および磁気センサからデータを取得し、IMUを含むSTMicroelectronicsのMEMSセンサ用にリアルタイムのモーションセンサデータ融合を提供します。MotionFXフィルタリングおよび予測ソフトウェアは、高度なアルゴリズムを使用して、環境条件にかかわりなく複数のMEMSセンサからの出力をインテリジェントに統合します。このライブラリはSTMicroelectronicsのMEMS IMU専用に設計されているため、他のベンダーのIMUを使用した場合は、ソフトウェアの機能と性能が保証されません。

　MotionFXライブラリは、Arm Cortex-M0+、Cortex-M3、およびCortex-M4プロセッサコアに基づくさまざまなSTMicroelectronicsのマイクロコントローラ上で動作します。STMicroelectronicsのX-NUCLEO-IKS01A2拡張ボード(図4)を、以下のボードに実装した場合のサンプルが入手可能です。

・Arm Cortex-M4コア内蔵のSTM32F4 MCUベースのNUCLEO-F401RE開発ボード
・Arm Cortex-M4コア内蔵のSTM32L4 MCUベースのNUCLEO-L476RG開発ボード
・Arm Cortex-M3コア内蔵のSTM32L1 MCUベースのNUCLEO-L152RE開発ボード
・Arm Cortex-M0+コア内蔵のSTM32L0 MCUベースのNUCLEO-L073RZ開発ボード



[…]#define VERSION_STR_LENG 35
#define MFX_DELTATIME 10
[…]/*** Initialization ***/
char lib_version[VERSION_STR_LENG];
char acc_orientation[3];
MFX_knobs_t iKnobs;
/* Sensor Fusion API initialization function */
MotionFX_initialize();
/* Optional: Get version */
MotionFX_GetLibVersion(lib_version);
MotionFX_getKnobs(&iKnobs);
/* Modify knobs settings */
MotionFX_setKnobs(&iKnobs);
/* Enable 9-axis sensor fusion */
MotionFX_enable_9X(MFX_ENGINE_ENABLE);
[…]/*** Using Sensor Fusion algorithm ***/
Timer_OR_DataRate_Interrupt_Handler()
{
MFX_input_t data_in;
MFX_output_t data_out;
/* Get acceleration X/Y/Z in g */
MEMS_Read_AccValue(data_in.acc[0], data_in.acc[1], data_in.acc[2]);
/* Get angular rate X/Y/Z in dps */
MEMS_Read_GyroValue(data_in.gyro[0], data_in.gyro[1], data_in.gyro[2]);
/* Get magnetic field X/Y/Z in uT/50 */
MEMS_Read_MagValue(data_in.mag[0], data_in.mag[1], &data_in.mag[2]);
/* Run Sensor Fusion algorithm */
MotionFX_propagate(&data_out, &data_in, MFX_DELTATIME);
MotionFX_update(&data_out, &data_in, MFX_DELTATIME, NULL);
}
リスト1：デモコードは、MotionFXライブラリを使用して、同社のX-NUCLEO-IKS01A2拡張ボード上のIMUコンポーネントから情報を抽出する方法を示しています。(コード提供： STMicroelectronics)

　デモソフトウェアのフローチャートも示されています(図5)。