MEMS傳感器在先進移動設(shè)備上的應(yīng)用 - 全文

　　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)和話筒(MIC)。因為低成本，小尺寸，低功耗，高性能，MEMS傳感器近幾年來被集成到便攜設(shè)備內(nèi)。

　　本文將論述MEMS傳感器在先進移動應(yīng)用中的作用，例如，移動增強實境(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.增強實境

　　增強實境(AR)不是一個新話題。根據(jù)定義，增強實境是在一個實時顯示的真實環(huán)境上疊加圖形、聲音和其它感知強化技術(shù)并使其具有互動性和可操縱性的功能或用戶界面。在一個真實環(huán)境內(nèi)融合3D虛擬信息有助于提高用戶對虛擬目標(biāo)周圍環(huán)境的真實感。

　　最近增強實境技術(shù)出現(xiàn)了幾個成功的應(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，讓駕駛員對汽車所在位置有一個全面了解。另一個應(yīng)用示例是把智能手機對準(zhǔn)一個方位已知的目標(biāo)，例如飯店或超市，手機就會顯示所指目標(biāo)的信息。此外，如果你身處一個陌生的大城市，這個功能還能幫助你找到最近的地鐵站，只要把手機旋轉(zhuǎn)360度，即可鎖定地鐵路線，沿所指方向到達目的地。

　　社交網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代人的生活中扮演著重要作用。當(dāng)一個人接近一個購物中心時，他可以用手機指向購物中心。然后，他的朋友將會收到經(jīng)過數(shù)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，他也會收到他朋友的方位和周邊信息。因此，增強實境是一種改變?nèi)藗儗φ鎸嵤澜绲母杏X的新方式。

　　由于智能手機市場高速增長，移動設(shè)備開始興起增強實境應(yīng)用。圖1所示是在智能手機內(nèi)實現(xiàn)移動增強實境所需的關(guān)鍵組件。

　　圖 1: 智能手機的移動增強實境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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　　?數(shù)字攝像頭:用于傳送真實世界環(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500萬像素或更高分辨率的成像傳感器。

　　?CPU、手機操作系統(tǒng)、用戶界面和軟件開發(fā)工具:這些是智能手機的核心組件?，F(xiàn)在新的智能手機配備1GHz以上的雙核CPU、512MB RAM內(nèi)存和32GB存儲器。在應(yīng)用開發(fā)過程中，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，訪問圖形、無線通信功能、數(shù)據(jù)庫和MEMS傳感器原始數(shù)據(jù)，無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(dāng)捕獲到有效的衛(wèi)星信號時，這些模塊用于確定用戶當(dāng)前的經(jīng)緯度位置。多年來人們一直在研究提高GPS接收機在室內(nèi)和高樓林立的地區(qū)的接收靈敏度和定位精度，因為在這類地區(qū)衛(wèi)星信號變?nèi)?，并發(fā)生多信道干擾錯誤。

　　?無線數(shù)據(jù)傳輸接口，包括GSM/GPRS、WiFi、藍牙和RFID:無線數(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，在等待GPS定位或沒有GPS信號時提供簡要的定位信息。如果建筑物內(nèi)預(yù)裝了發(fā)射器，其它的近距離無線連接如WLAN、藍牙和RFID也可以提供精度適當(dāng)?shù)氖覂?nèi)定位信息。

　　?本機或在線數(shù)據(jù)庫:用于把增強的虛擬目標(biāo)信息疊加到真實世界視頻上。當(dāng)目標(biāo)與當(dāng)前方位吻合時，系統(tǒng)將能從本機數(shù)據(jù)庫或在線數(shù)據(jù)庫檢索目標(biāo)的信息。然后用戶可以點擊觸摸屏上的超級鏈接或圖標(biāo)，接收更加詳細的方位信息。

　　?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(dǎo)式組件，隨時隨地工作。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(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。

　　隨時隨地獲取精確且可靠的方位信息，使虛擬目標(biāo)與真實世界的環(huán)境保持一致，是移動增強實境應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)。

　　2. 室內(nèi)方位檢測

　　盡管智能手機內(nèi)置一個GPS接收器，在戶外的定位功能非常不錯，在數(shù)字地圖上顯示航向，但是，某些GPS接收機在室內(nèi)或高樓林立的城區(qū)無法接收衛(wèi)星定位信號。即便在戶外，當(dāng)汽車或行人靜止時，GPS也無法提供精確的方位或航向信息。GPS無法區(qū)分微小的高度變化。此外，GPS僅憑一個天線無法為手機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GPS接收器做基站，使用某一種距離粗捕獲碼向移動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，無法在可以接受的間隔內(nèi)提供精確的定位信息。當(dāng)手機用戶靜止時，至少需要三個GPS天線才可能讓GPS檢測到用戶的姿態(tài)信息。不過，目前在一個智能手機上安裝多個GPS天線還是行不通的。

　　因此，僅有GPS的智能手機不能為手機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，現(xiàn)代的GPS接收器的絕對定位精度是3米到20米，這個參數(shù)不會在一段時期后發(fā)生漂移?；贛EMS傳感器的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS) 可在很短的時間內(nèi)提供精確的定位信息，但是，根據(jù)運動傳感器的性能，這種導(dǎo)航系統(tǒng)在使用一段時間后很快就會發(fā)生精度漂移現(xiàn)象。行人航位推算系統(tǒng)(PDR)是一個根據(jù)步長和方位計算從室內(nèi)已知初始位置開始的行走距離的相對導(dǎo)航系統(tǒng)，雖然定位精度不會隨時間推移而發(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需要對步長進行校準(zhǔn)，才能達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軸加速度計和3軸陀螺儀)可分為三大類：導(dǎo)航級、戰(zhàn)術(shù)級和商用級。通過下面的兩個方程式[1]，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:

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　　(1)

　　其中:

　　ACC_bias … 加速度計長期偏差穩(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:

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　　(2)

　　其中:

　　g … 地球重力，9.81m/s2

　　GYRO_bias … 陀螺儀長期偏差穩(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。

　　以上兩個方程式可用于計算典型慣性傳感器的性能和長期偏差穩(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，這些誤差不會隨時間推移而擴大，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)在計算中給予考慮。

　　最近在MEMS制程上取得的進步讓 MEMS加速度計和陀螺儀能夠連續(xù)地提供更高的定位性能，使商用級的產(chǎn)品更加接近戰(zhàn)術(shù)級產(chǎn)品的性能。在較短的時間如1分鐘內(nèi)，獨立的加速度計和陀螺儀可取得相對較高的測量精度。當(dāng)GPS信號受阻時，這對于GPS/SINS一體化導(dǎo)航系統(tǒng)很有用。

　　對于消費電子產(chǎn)品，室內(nèi)行人航位推算系統(tǒng)5%的行進距離誤差通常是可以接受的。例如，當(dāng)一個人走過100米的距離時，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[2]。例如，如果航位誤差是2°，當(dāng)一個人走過100米的距離時，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[2]。圖3所示是利用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 3: 移動設(shè)備行人航位推算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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　　MEMS傳感器整合

　　傳感器整合是一套數(shù)字濾波算法，用于修正每個獨立傳感器的缺陷，然后輸出精確的響應(yīng)快速的動態(tài)的(俯仰/滾轉(zhuǎn)/偏航)姿態(tài)測量結(jié)果。傳感器整合的目的是把每個傳感器的測量數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用數(shù)字過濾算法對輸入數(shù)據(jù)進行相互修正，最后輸出精確的響應(yīng)快速的動態(tài)的姿態(tài)測量結(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題。

　　能夠修正傾斜度的數(shù)字羅盤是由一個3軸加速度計和一個3軸磁力計組成，可提供以地球北極為參考的航向信息。但是這個航向信息容易受到環(huán)境磁力的干擾。如果安裝一個3軸陀螺儀，開發(fā)一個9軸傳感器整合解決方案，則可以隨時隨地保持精確的航向信息。

　　在設(shè)計一個使用多個MEMS傳感器的系統(tǒng)時，了解下表所列的每個MEMS傳感器的優(yōu)缺點是很重要的。

　　?加速度計:在靜態(tài)或慢速運動狀態(tài)下可用于傾斜度修正型數(shù)字羅盤;可用于計步器的檢測功能，檢測步行人當(dāng)前的狀態(tài)是靜止還是運動。不過，當(dāng)系統(tǒng)在3D空間靜止時，加速度計無法區(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)磁力計受到干擾時，陀螺儀可輔助數(shù)字羅盤計算航向數(shù)據(jù)。長時間的零偏漂移導(dǎo)致無限制的姿態(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(zhǔn)陀螺儀的靈敏度，但容量受到環(huán)境磁場的干擾。

　　?壓力傳感器:在室內(nèi)導(dǎo)航時，壓力傳感器可告訴你身處哪一樓層，輔助GPS計算高度;當(dāng)GPS信號變?nèi)鯐r，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 [3]。

　　目前基于四元數(shù)的擴展型卡爾曼濾波器(EKF)是一個很受歡迎的傳感器整合方案，因為四元數(shù)只有4個元素，而旋轉(zhuǎn)矩陣有9個元素，此外，四元數(shù)法還避免了旋轉(zhuǎn)矩陣的特殊問題 [3]。

　　4.結(jié)論

　　隨時隨地精確定位是增強實境等先進移動應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)，因為增強實境與行人航位推算(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(nèi)行人航位推算應(yīng)用很有吸引力，因為這些傳感器大多數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在智能手機內(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，以修正每個傳感器的缺陷，使這些傳感器實現(xiàn)優(yōu)勢互補。隨著MEMS傳感器的性能不斷提高，在不遠的將來，與用戶無關(guān)的SINS/GPS一體化導(dǎo)航系統(tǒng)將會成為智能手機的標(biāo)準(zhǔn)配置。