MEMS傳感器在先進(jìn)移動(dòng)設(shè)備中的應(yīng)用

 摘要

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?，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(shè)備內(nèi)。

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(pán)和3D游戲。目前導(dǎo)航廠商正在開(kāi)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)。

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。

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(jué)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(kāi)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(kāi)發(fā)工具:這些是智能手機(jī)的核心組件?，F(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(kāi)發(fā)過(guò)程中，用戶界面和軟件開(kāi)發(fā)工具（SDK）讓開(kāi)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)?，并發(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(méi)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?、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(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(méi)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?；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(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(kāi)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[1]，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:
　　 (1)