MEMS傳感器包括加速度計(ACC)、陀螺儀(GYRO)、磁力計(MAG)、壓力傳感器(PS)和話(huà)筒(MIC)。因為低成本，小尺寸，低功耗，高性能，MEMS傳感器近幾年來(lái)被集成到便攜設備內。
快速的CPU、多任務(wù)處理的操作系統、高靈敏度GPS接收器、3G/4G無(wú)線(xiàn)通信芯片組、高分辨率數字攝像頭、觸摸屏LCD顯示屏和大容量存儲器是智能手機的共同特性。MEMS傳感器的用途不再局限于當前的應用領(lǐng)域，例如，屏幕旋轉、省電、運動(dòng)檢測、數字羅盤(pán)和3D游戲。目前導航廠(chǎng)商正在開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的MEMS傳感器應用，例如，增強實(shí)境(AR)、定位服務(wù)(LBS)、行人航位推算系統(PDR)。
本文將論述MEMS傳感器在先進(jìn)移動(dòng)應用中的作用，例如，移動(dòng)增強實(shí)境（MAR）、定位服務(wù)（LBS）和利用航位推算法確定方位的MEMS傳感器與GPS接收器整合解決方案。
1. 增強實(shí)境
增強實(shí)境(AR)不是一個(gè)新話(huà)題。根據定義，增強實(shí)境是在一個(gè)實(shí)時(shí)顯示的真實(shí)環(huán)境上疊加圖形、聲音和其它感知強化技術(shù)并使其具有互動(dòng)性和可操縱性的功能或用戶(hù)界面。在一個(gè)真實(shí)環(huán)境內融合3D虛擬信息有助于提高用戶(hù)對虛擬目標周?chē)h(huán)境的真實(shí)感。
最近增強實(shí)境技術(shù)出現了幾個(gè)成功的應用案例。例如，汽車(chē)安全設備把路況和汽車(chē)周?chē)闆r的信息投射到前檔風(fēng)玻璃上，讓駕駛員對汽車(chē)所在位置有一個(gè)全面了解。另一個(gè)應用示例是把智能手機對準一個(gè)方位已知的目標，例如飯店或超市，手機就會(huì )顯示所指目標的信息。此外，如果你身處一個(gè)陌生的大城市，這個(gè)功能還能幫助你找到最近的地鐵站，只要把手機旋轉360度，即可鎖定地鐵路線(xiàn)，沿所指方向到達目的地。
社交網(wǎng)絡(luò )在現代人的生活中扮演著(zhù)重要作用。當一個(gè)人接近一個(gè)購物中心時(shí)，他可以用手機指向購物中心。然后，他的朋友將會(huì )收到經(jīng)過(guò)數字處理技術(shù)強化的他所在位置和周邊環(huán)境的虛擬信息。反之亦然，他也會(huì )收到他朋友的方位和周邊信息。因此，增強實(shí)境是一種改變人們對真實(shí)世界的感覺(jué)的新方式。
由于智能手機市場(chǎng)高速增長(cháng)，移動(dòng)設備開(kāi)始興起增強實(shí)境應用。圖1所示是在智能手機內實(shí)現移動(dòng)增強實(shí)境所需的關(guān)鍵組件。
圖1:智能手機的移動(dòng)增強實(shí)境系統結構
●數字攝像頭:用于傳送真實(shí)世界環(huán)境的信息流，并在液晶觸摸屏上顯示捕獲的視頻。目前新款智能手機上已配備500萬(wàn)像素或更高分辨率的成像傳感器。
●CPU、手機操作系統、用戶(hù)界面和軟件開(kāi)發(fā)工具:這些是智能手機的核心組件�，F在新的智能手機配備1GHz以上的雙核CPU、512MB RAM內存和32GB存儲器。在應用開(kāi)發(fā)過(guò)程中，用戶(hù)界面和軟件開(kāi)發(fā)工具（SDK）讓開(kāi)發(fā)人員輕松地調用應用程序接口，訪(fǎng)問(wèn)圖形、無(wú)線(xiàn)通信功能、數據庫和MEMS傳感器原始數據，無(wú)需知道這些代碼背后的詳細原理。
●高靈敏度GPS接收器或A-GPS或DGPS:當捕獲到有效的衛星信號時(shí)，這些模塊用于確定用戶(hù)當前的經(jīng)緯度位置。多年來(lái)人們一直在研究提高GPS接收機在室內和高樓林立的地區的接收靈敏度和定位精度，因為在這類(lèi)地區衛星信號變弱，并發(fā)生多信道干擾錯誤。
●無(wú)線(xiàn)數據傳輸接口，包括GSM/GPRS、WiFi、藍牙和RFID:無(wú)線(xiàn)數據接口的主要目的是接入互聯(lián)網(wǎng)，檢索當前位置目標的在線(xiàn)數據庫，在等待GPS定位或沒(méi)有GPS信號時(shí)提供簡(jiǎn)要的定位信息。如果建筑物內預裝了發(fā)射器，其它的近距離無(wú)線(xiàn)連接如WLAN、藍牙和RFID也可以提供精度適當的室內定位信息。
●本機或在線(xiàn)數據庫:用于把增強的虛擬目標信息疊加到真實(shí)世界視頻上。當目標與當前方位吻合時(shí)，系統將能從本機數據庫或在線(xiàn)數據庫檢索目標的信息。然后用戶(hù)可以點(diǎn)擊觸摸屏上的超級鏈接或圖標，接收更加詳細的方位信息。
●內置數字地圖的液晶觸摸屏:提供高分辨率的用戶(hù)界面，顯示含有虛擬目標信息的真實(shí)世界的視頻。有了數字地圖，用戶(hù)可以知道當前位置所在街道名稱(chēng)，無(wú)需配戴任何特殊的3D眼鏡。
●MEMS傳感器(加速度計、磁力計、陀螺儀和壓力傳感器):這些傳感器是自導式組件，隨時(shí)隨地工作。因為低成本、小尺寸、輕量、低功耗、高性能，它們成為行人航位推算應用的首選半導體產(chǎn)品。這些傳感器與GPS接收器集成在一起可以在室內外獲得方位信息。下面的內容將探討這些傳感器在提高室內導航精度中所扮演的重要角色。
隨時(shí)隨地獲取精確且可靠的方位信息，使虛擬目標與真實(shí)世界的環(huán)境保持一致，是移動(dòng)增強實(shí)境應用面臨的主要挑戰。
2. 室內方位檢測
盡管智能手機內置一個(gè)GPS接收器，在戶(hù)外的定位功能非常不錯，在數字地圖上顯示航向，但是，某些GPS接收機在室內或高樓林立的城區無(wú)法接收衛星定位信號。即便在戶(hù)外，當汽車(chē)或行人靜止時(shí)，GPS也無(wú)法提供精確的方位或航向信息。GPS無(wú)法區分微小的高度變化。此外，GPS僅憑一個(gè)天線(xiàn)無(wú)法為手機或汽車(chē)用戶(hù)提供姿態(tài)信息，例如，俯仰/滾轉/航向信息。
差分全球定位系統 (DGPS)能夠取得幾厘米的定位精度；但是需要另一個(gè)GPS接收器做基站，使用某一種距離粗捕獲碼向移動(dòng)GPS接收器發(fā)射參考位置信息。輔助全球定位系統 (A-GPS)在某種程度上有助于GPS獲得室內定位信息，但是，無(wú)法在可以接受的間隔內提供精確的定位信息。當手機用戶(hù)靜止時(shí)，至少需要三個(gè)GPS天線(xiàn)才可能讓GPS檢測到用戶(hù)的姿態(tài)信息。不過(guò)，目前在一個(gè)智能手機上安裝多個(gè)GPS天線(xiàn)還是行不通的。
因此，僅有GPS的智能手機不能為手機用戶(hù)提供精確的方位和姿態(tài)信息。自導式MEMS傳感器是協(xié)助GPS實(shí)現一體化導航系統、提供室內外LBS定位服務(wù)的理想選擇。
當天線(xiàn)沒(méi)有被遮擋時(shí)，現代的GPS接收器的絕對定位精度是3米到20米，這個(gè)參數不會(huì )在一段時(shí)期后發(fā)生漂移�；贛EMS傳感器的捷聯(lián)式慣性導航系統(SINS) 可在很短的時(shí)間內提供精確的定位信息，但是，根據運動(dòng)傳感器的性能，這種導航系統在使用一段時(shí)間后很快就會(huì )發(fā)生精度漂移現象。行人航位推算系統（PDR）是一個(gè)根據步長(cháng)和方位計算從室內已知初始位置開(kāi)始的行走距離的相對導航系統，雖然定位精度不會(huì )隨時(shí)間推移而發(fā)生漂移，但是需要在受磁力干擾的環(huán)境內保持航向精度，此外，GPS需要對步長(cháng)進(jìn)行校準，才能達到可以接受的定位精度。
按照捷聯(lián)式慣性導航系統(SINS)理論，根據內在的偏差漂移和比例因數，慣性傳感器(3軸加速度計和3軸陀螺儀)可分為三大類(lèi)：導航級、戰術(shù)級和商用級。通過(guò)下面的兩個(gè)方程式，可以計算出獨立的加速度計和陀螺儀的水平位置誤差。
加速度計的位置誤差:
PE_ACC=1/2·ACC_bias·T2 (1)
其中:
ACC_bias … 加速度計長(cháng)期偏差穩定性，單位：mg；g = 9.81m/s2
T … 雙重積分周期，單位：秒
PE_ACC … ACC_bias造成的位置誤差；單位：米。
陀螺儀的位置誤差:
PE_GYRO=1/6·g·GYRO_bias·T3 (2)
其中:
g … 地球重力，9.81m/s2
GYRO_bias … 陀螺儀長(cháng)期偏差穩定性，單位：rad/s
T … 雙重積分周期，單位：秒
PE_ACC … GYRO_bias造成的位置誤差；單位：米。
以上兩個(gè)方程式可用于計算典型慣性傳感器的性能和長(cháng)期偏差穩定性引起的水平位置誤差。當慣性傳感器與GPS集成在一起時(shí)，這些誤差不會(huì )隨時(shí)間推移而擴大，其它引起位置誤差的因素，如失匹、非線(xiàn)性和溫度影響，也應在計算中給予考慮。
最近在MEMS制程上取得的進(jìn)步讓 MEMS加速度計和陀螺儀能夠連續地提供更高的定位性能，使商用級的產(chǎn)品更加接近戰術(shù)級產(chǎn)品的性能。在較短的時(shí)間如1分鐘內，獨立的加速度計和陀螺儀可取得相對較高的測量精度。當GPS信號受阻時(shí)，這對于GPS/SINS一體化導航系統很有用。
對于消費電子產(chǎn)品，室內行人航位推算系統5%的行進(jìn)距離誤差通常是可以接受的。例如，當一個(gè)人走過(guò)100米的距離時(shí)，定位誤差應該在5米范圍內。這要求航向誤差在 ±2°到±5°之間。例如，如果航位誤差是2°，當一個(gè)人走過(guò)100米的距離時(shí)，定位誤差應該在3.5米范圍內 [= 2*100m*sin(2°/2)]。
此外，MEMS壓力傳感器能夠測量相對于海平面的絕對氣壓。因此，MEMS傳感器可以確定手機用戶(hù)在海平面以下 600米到海平面以上 9000米之間的高度，輔助GPS的高度測量。圖3所2示是利用MEMS傳感器與GPS接收器的行人航位推算系統結構圖。
圖 2: 移動(dòng)設備行人航位推算系統結構圖
3. MEMS傳感器整合
傳感器整合是一套數字濾波算法，用于修正每個(gè)獨立傳感器的缺陷，然后輸出精確的響應快速的動(dòng)態(tài)的（俯仰/滾轉/偏航）姿態(tài)測量結果。傳感器整合的目的是把每個(gè)傳感器的測量數據作為輸入數據，然后應用數字過(guò)濾算法對輸入數據進(jìn)行相互修正，最后輸出精確的響應快速的動(dòng)態(tài)的姿態(tài)測量結果。因此，航向或方位不受環(huán)境磁干擾的影響，沒(méi)有陀螺儀的零偏漂移問(wèn)題。
能夠修正傾斜度的數字羅盤(pán)是由一個(gè)3軸加速度計和一個(gè)3軸磁力計組成，可提供以地球北極為參考的航向信息。但是這個(gè)航向信息容易受到環(huán)境磁力的干擾。如果安裝一個(gè)3軸陀螺儀，開(kāi)發(fā)一個(gè)9軸傳感器整合解決方案，則可以隨時(shí)隨地保持精確的航向信息。
在設計一個(gè)使用多個(gè)MEMS傳感器的系統時(shí)，了解下表所列的每個(gè)MEMS傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)是很重要的。
●加速度計:在靜態(tài)或慢速運動(dòng)狀態(tài)下可用于傾斜度修正型數字羅盤(pán)；可用于計步器的檢測功能，檢測步行人當前的狀態(tài)是靜止還是運動(dòng)。不過(guò)，當系統在3D空間靜止時(shí)，加速度計無(wú)法區分真正的線(xiàn)性加速度與地球重力，而且容易受到震動(dòng)和振蕩的影響。
●陀螺儀:可以連續提供從系統載體坐標到局部地球水平坐標的旋轉矩陣，當磁力計受到干擾時(shí)，陀螺儀可輔助數字羅盤(pán)計算航向數據。長(cháng)時(shí)間的零偏漂移導致無(wú)限制的姿態(tài)和定位錯誤。
●磁力計:可計算以地球北極為參考方向的絕對航向，并且可用于校準陀螺儀的靈敏度，但容量受到環(huán)境磁場(chǎng)的干擾。
●壓力傳感器:在室內導航時(shí)，壓力傳感器可告訴你身處哪一樓層，輔助GPS計算高度；當GPS信號變弱時(shí)，輔助GPS提高定位精度，但是容易受到氣流和天氣狀況的影響。
基于以上各方面考慮，卡爾曼濾波器是最常用的整合不同的傳感器輸入信息的數學(xué)方法。這種方法權衡不同的傳感器的作用，給性能最高的方面最高權數，因此，與基于單一媒介的導航系統相比，卡爾曼濾波器算法的估算結果更精確可靠。
目前基于四元數的擴展型卡爾曼濾波器(EKF)是一個(gè)很受歡迎的傳感器整合方案，因為四元數只有4個(gè)元素，而旋轉矩陣有9個(gè)元素，此外，四元數法還避免了旋轉矩陣的特殊問(wèn)題 。
4. 結論
隨時(shí)隨地精確定位是增強實(shí)境等先進(jìn)移動(dòng)應用面臨的主要挑戰，因為增強實(shí)境與行人航位推算（PDR）或定位服務(wù)（LBS）的關(guān)系密切。鑒于GPS接收器的接收限制，MEMS傳感器對室內行人航位推算應用很有吸引力，因為這些傳感器大多數已經(jīng)出現在智能手機內。
要想取得5%的室內行人航位推算定位誤差，需要開(kāi)發(fā)MEMS傳感器整合算法，以修正每個(gè)傳感器的缺陷，使這些傳感器實(shí)現優(yōu)勢互補。隨著(zhù)MEMS傳感器的性能不斷提高，在不遠的將來(lái)，與用戶(hù)無(wú)關(guān)的SINS/GPS一體化導航系統將會(huì )成為智能手機的標準配置。 |
