【導(dǎo)讀】MEMS傳感器包括加速度計(jì)(ACC)、陀螺儀(GYRO)、磁力計(jì)(MAG)、壓力傳感器(PS)和話筒(MIC)。因?yàn)榈统杀荆〕叽纾凸模咝阅埽琈EMS傳感器近幾年來(lái)被集成到便攜設(shè)備內(nèi)。本文將論述MEMS傳感器在先進(jìn)移動(dòng)應(yīng)用中的作用，例如，移動(dòng)增強(qiáng)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。
快速的CPU、多任務(wù)處理的操作系統(tǒng)、高靈敏度GPS接收器、3G/4G無(wú)線通信芯片組、高分辨率數(shù)字?jǐn)z像頭、觸摸屏LCD顯示屏和大容量存儲(chǔ)器是智能手機(jī)的共同特性。MEMS傳感器的用途不再局限于當(dāng)前的應(yīng)用領(lǐng)域，例如，屏幕旋轉(zhuǎn)、省電、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、數(shù)字羅盤和3D游戲。目前導(dǎo)航廠商正在開發(fā)更先進(jìn)的MEMS傳感器應(yīng)用，例如，增強(qiáng)實(shí)境(AR)、定位服務(wù)(LBS)、行人航位推算系統(tǒng)(PDR)。
1. 增強(qiáng)實(shí)境
增強(qiáng)實(shí)境(AR)不是一個(gè)新話題。根據(jù)定義，增強(qiáng)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(qiáng)化技術(shù)并使其具有互動(dòng)性和可操縱性的功能或用戶界面。在一個(gè)真實(shí)環(huán)境內(nèi)融合3D虛擬信息有助于提高用戶對(duì)虛擬目標(biāo)周圍環(huán)境的真實(shí)感。
最近增強(qiáng)實(shí)境技術(shù)出現(xiàn)了幾個(gè)成功的應(yīng)用案例。例如，汽車安全設(shè)備把路況和汽車周圍情況的信息投射到前檔風(fēng)玻璃上，讓駕駛員對(duì)汽車所在位置有一個(gè)全面了解。另一個(gè)應(yīng)用示例是把智能手機(jī)對(duì)準(zhǔn)一個(gè)方位已知的目標(biāo)，例如飯店或超市，手機(jī)就會(huì)顯示所指目標(biāo)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(jī)旋轉(zhuǎn)360度，即可鎖定地鐵路線，沿所指方向到達(dá)目的地。
社交網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代人的生活中扮演著重要作用。當(dāng)一個(gè)人接近一個(gè)購(gòu)物中心時(shí)，他可以用手機(jī)指向購(gòu)物中心。然后，他的朋友將會(huì)收到經(jīng)過(guò)數(shù)字處理技術(shù)強(qiáng)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(qiáng)實(shí)境是一種改變?nèi)藗儗?duì)真實(shí)世界的感覺的新方式。
由于智能手機(jī)市場(chǎng)高速增長(zhǎng)，移動(dòng)設(shè)備開始興起增強(qiáng)實(shí)境應(yīng)用。圖1所示是在智能手機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)增強(qiáng)實(shí)境所需的關(guān)鍵組件。
圖1:智能手機(jī)的移動(dòng)增強(qiáng)實(shí)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
●數(shù)字?jǐn)z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(jī)上已配備500萬(wàn)像素或更高分辨率的成像傳感器。
●CPU、手機(jī)操作系統(tǒng)、用戶界面和軟件開發(fā)工具:這些是智能手機(jī)的核心組件。現(xiàn)在新的智能手機(jī)配備1GHz以上的雙核CPU、512MB RAM內(nèi)存和32GB存儲(chǔ)器。在應(yīng)用開發(fā)過(guò)程中，用戶界面和軟件開發(fā)工具（SDK）讓開發(fā)人員輕松地調(diào)用應(yīng)用程序接口，訪問(wèn)圖形、無(wú)線通信功能、數(shù)據(jù)庫(kù)和MEMS傳感器原始數(shù)據(jù)，無(wú)需知道這些代碼背后的詳細(xì)原理。
●高靈敏度GPS接收器或A-GPS或DGPS:當(dāng)捕獲到有效的衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，這些模塊用于確定用戶當(dāng)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(jī)在室內(nèi)和高樓林立的地區(qū)的接收靈敏度和定位精度，因?yàn)樵谶@類地區(qū)衛(wèi)星信號(hào)變?nèi)酰l(fā)生多信道干擾錯(cuò)誤。
●無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸接口，包括GSM/GPRS、WiFi、藍(lán)牙和RFID:無(wú)線數(shù)據(jù)接口的主要目的是接入互聯(lián)網(wǎng)，檢索當(dāng)前位置目標(biāo)的在線數(shù)據(jù)庫(kù)，在等待GPS定位或沒有GPS信號(hào)時(shí)提供簡(jiǎn)要的定位信息。如果建筑物內(nèi)預(yù)裝了發(fā)射器，其它的近距離無(wú)線連接如WLAN、藍(lán)牙和RFID也可以提供精度適當(dāng)?shù)氖覂?nèi)定位信息。
●本機(jī)或在線數(shù)據(jù)庫(kù):用于把增強(qiáng)的虛擬目標(biāo)信息疊加到真實(shí)世界視頻上。當(dāng)目標(biāo)與當(dāng)前方位吻合時(shí)，系統(tǒng)將能從本機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)或在線數(shù)據(jù)庫(kù)檢索目標(biāo)的信息。然后用戶可以點(diǎn)擊觸摸屏上的超級(jí)鏈接或圖標(biāo)，接收更加詳細(xì)的方位信息。
●內(nèi)置數(shù)字地圖的液晶觸摸屏:提供高分辨率的用戶界面，顯示含有虛擬目標(biāo)信息的真實(shí)世界的視頻。有了數(shù)字地圖，用戶可以知道當(dāng)前位置所在街道名稱，無(wú)需配戴任何特殊的3D眼鏡。
●MEMS傳感器(加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀和壓力傳感器):這些傳感器是自導(dǎo)式組件，隨時(shí)隨地工作。因?yàn)榈统杀尽⑿〕叽纭⑤p量、低功耗、高性能，它們成為行人航位推算應(yīng)用的首選半導(dǎo)體產(chǎn)品。這些傳感器與GPS接收器集成在一起可以在室內(nèi)外獲得方位信息。下面的內(nèi)容將探討這些傳感器在提高室內(nèi)導(dǎo)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(biāo)與真實(shí)世界的環(huán)境保持一致，是移動(dòng)增強(qiáng)實(shí)境應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)。
2. 室內(nèi)方位檢測(cè)
盡管智能手機(jī)內(nèi)置一個(gè)GPS接收器，在戶外的定位功能非常不錯(cuò)，在數(shù)字地圖上顯示航向，但是，某些GPS接收機(jī)在室內(nèi)或高樓林立的城區(qū)無(wú)法接收衛(wèi)星定位信號(hào)。即便在戶外，當(dāng)汽車或行人靜止時(shí)，GPS也無(wú)法提供精確的方位或航向信息。GPS無(wú)法區(qū)分微小的高度變化。此外，GPS僅憑一個(gè)天線無(wú)法為手機(jī)或汽車用戶提供姿態(tài)信息，例如，俯仰/滾轉(zhuǎn)/航向信息。
差分全球定位系統(tǒng) (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(tǒng) (A-GPS)在某種程度上有助于GPS獲得室內(nèi)定位信息，但是，無(wú)法在可以接受的間隔內(nèi)提供精確的定位信息。當(dāng)手機(jī)用戶靜止時(shí)，至少需要三個(gè)GPS天線才可能讓GPS檢測(cè)到用戶的姿態(tài)信息。不過(guò)，目前在一個(gè)智能手機(jī)上安裝多個(gè)GPS天線還是行不通的。
因此，僅有GPS的智能手機(jī)不能為手機(jī)用戶提供精確的方位和姿態(tài)信息。自導(dǎo)式MEMS傳感器是協(xié)助GPS實(shí)現(xiàn)一體化導(dǎo)航系統(tǒng)、提供室內(nèi)外LBS定位服務(wù)的理想選擇。
當(dāng)天線沒有被遮擋時(shí)，現(xiàn)代的GPS接收器的絕對(duì)定位精度是3米到20米，這個(gè)參數(shù)不會(huì)在一段時(shí)期后發(fā)生漂移。基于MEMS傳感器的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS) 可在很短的時(shí)間內(nèi)提供精確的定位信息，但是，根據(jù)運(yùn)動(dòng)傳感器的性能，這種導(dǎo)航系統(tǒng)在使用一段時(shí)間后很快就會(huì)發(fā)生精度漂移現(xiàn)象。行人航位推算系統(tǒng)（PDR）是一個(gè)根據(jù)步長(zhǎng)和方位計(jì)算從室內(nèi)已知初始位置開始的行走距離的相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)，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(nèi)保持航向精度，此外，GPS需要對(duì)步長(zhǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，才能達(dá)到可以接受的定位精度。
按照捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS)理論，根據(jù)內(nèi)在的偏差漂移和比例因數(shù)，慣性傳感器(3軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀)可分為三大類：導(dǎo)航級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)和商用級(jí)。通過(guò)下面的兩個(gè)方程式，可以計(jì)算出獨(dú)立的加速度計(jì)和陀螺儀的水平位置誤差。
加速度計(jì)的位置誤差:
PE_ACC=1/2·ACC_bias·T2 (1)
其中:
ACC_bias … 加速度計(jì)長(zhǎng)期偏差穩(wěn)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(zhǎng)期偏差穩(wěn)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(jì)算典型慣性傳感器的性能和長(zhǎng)期偏差穩(wěn)定性引起的水平位置誤差。當(dāng)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(kuò)大，其它引起位置誤差的因素，如失匹、非線性和溫度影響，也應(yīng)在計(jì)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(jì)和陀螺儀能夠連續(xù)地提供更高的定位性能，使商用級(jí)的產(chǎn)品更加接近戰(zhàn)術(shù)級(jí)產(chǎn)品的性能。在較短的時(shí)間如1分鐘內(nèi)，獨(dú)立的加速度計(jì)和陀螺儀可取得相對(duì)較高的測(cè)量精度。當(dāng)GPS信號(hào)受阻時(shí)，這對(duì)于GPS/SINS一體化導(dǎo)航系統(tǒng)很有用。
對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品，室內(nèi)行人航位推算系統(tǒng)5%的行進(jìn)距離誤差通常是可以接受的。例如，當(dāng)一個(gè)人走過(guò)100米的距離時(shí)，定位誤差應(yīng)該在5米范圍內(nèi)。這要求航向誤差在 ±2°到±5°之間。例如，如果航位誤差是2°，當(dāng)一個(gè)人走過(guò)100米的距離時(shí)，定位誤差應(yīng)該在3.5米范圍內(nèi) [= 2*100m*sin(2°/2)]。
此外，MEMS壓力傳感器能夠測(cè)量相對(duì)于海平面的絕對(duì)氣壓。因此，MEMS傳感器可以確定手機(jī)用戶在海平面以下 600米到海平面以上 9000米之間的高度，輔助GPS的高度測(cè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖 2: 移動(dòng)設(shè)備行人航位推算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3. MEMS傳感器整合
傳感器整合是一套數(shù)字濾波算法，用于修正每個(gè)獨(dú)立傳感器的缺陷，然后輸出精確的響應(yīng)快速的動(dòng)態(tài)的（俯仰/滾轉(zhuǎn)/偏航）姿態(tài)測(cè)量結(jié)果。傳感器整合的目的是把每個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用數(shù)字過(guò)濾算法對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行相互修正，最后輸出精確的響應(yīng)快速的動(dòng)態(tài)的姿態(tài)測(cè)量結(jié)果。因此，航向或方位不受環(huán)境磁干擾的影響，沒有陀螺儀的零偏漂移問(wèn)題。
能夠修正傾斜度的數(shù)字羅盤是由一個(gè)3軸加速度計(jì)和一個(gè)3軸磁力計(jì)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(shè)計(jì)一個(gè)使用多個(gè)MEMS傳感器的系統(tǒng)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(jì):在靜態(tài)或慢速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下可用于傾斜度修正型數(shù)字羅盤；可用于計(jì)步器的檢測(cè)功能，檢測(cè)步行人當(dāng)前的狀態(tài)是靜止還是運(yùn)動(dòng)。不過(guò)，當(dāng)系統(tǒng)在3D空間靜止時(shí)，加速度計(jì)無(wú)法區(qū)分真正的線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(xù)提供從系統(tǒng)載體坐標(biāo)到局部地球水平坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)矩陣，當(dāng)磁力計(jì)受到干擾時(shí)，陀螺儀可輔助數(shù)字羅盤計(jì)算航向數(shù)據(jù)。長(zhǎng)時(shí)間的零偏漂移導(dǎo)致無(wú)限制的姿態(tài)和定位錯(cuò)誤。
●磁力計(jì):可計(jì)算以地球北極為參考方向的絕對(duì)航向，并且可用于校準(zhǔn)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(nèi)導(dǎo)航時(shí)，壓力傳感器可告訴你身處哪一樓層，輔助GPS計(jì)算高度；當(dāng)GPS信號(hào)變?nèi)鯐r(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(shù)學(xué)方法。這種方法權(quán)衡不同的傳感器的作用，給性能最高的方面最高權(quán)數(shù)，因此，與基于單一媒介的導(dǎo)航系統(tǒng)相比，卡爾曼濾波器算法的估算結(jié)果更精確可靠。
目前基于四元數(shù)的擴(kuò)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?yàn)樗脑獢?shù)只有4個(gè)元素，而旋轉(zhuǎn)矩陣有9個(gè)元素，此外，四元數(shù)法還避免了旋轉(zhuǎn)矩陣的特殊問(wèn)題 。
4. 結(jié)論
隨時(shí)隨地精確定位是增強(qiáng)實(shí)境等先進(jìn)移動(dòng)應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)，因?yàn)樵鰪?qiáng)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(duì)室內(nèi)行人航位推算應(yīng)用很有吸引力，因?yàn)檫@些傳感器大多數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在智能手機(jī)內(nèi)。
要想取得5%的室內(nèi)行人航位推算定位誤差，需要開發(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(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。隨著MEMS傳感器的性能不斷提高，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，與用戶無(wú)關(guān)的SINS/GPS一體化導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)成為智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。
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