MEMS傳感器在移動設備上的應用介紹

　　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備內(nèi)。

　　快速的CPU、多任務處理的操作系統(tǒng)、高靈敏度GPS接收器、3G / 4G無線通信芯片組、高分辨率數(shù)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域，例如，屏幕旋轉、省電、運動檢測、數(shù)字羅盤和3D游戲。目前導航廠商正在開發(fā)更先進的MEMS傳感器應用，例如，增強實境（AR）、定位服務（LBS）、行人航位推算系統(tǒng)（PDR）。

　　本文將論述MEMS傳感器在先進移動應用中的作用，例如，移動增強實境（MAR）、定位服務（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周圍環(huán)境的真實感。

　　最近增強實境技術出現(xiàn)了幾個成功的應用案例。例如，汽車安全設備把路況和汽車周圍情況的信息投射到前檔風玻璃上，讓駕駛員對汽車所在位置有一個全面了解。另一個應用示例是把智能手機對準一個方位已知的目標，例如飯店或超市，手機就會顯示所指目標的信息。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)絡在現(xiàn)代人的生活中扮演著重要作用。當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，移動設備開始興起增強實境應用。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鍵組件。

　　圖 1： 智能手機的移動增強實境系統(tǒng)結構

　　?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：當捕獲到有效的衛(wèi)星信號時，這些模塊用于確定用戶當前的經(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)，檢索當前位置目標的在線數(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?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信息疊加到真實世界視頻上。當目標與當前方位吻合時，系統(tǒng)將能從本機數(shù)據(jù)庫或在線數(shù)據(jù)庫檢索目標的信息。然后用戶可以點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(nèi)置數(shù)字地圖的液晶觸摸屏：提供高分辨率的用戶界面，顯示含有虛擬目標信息的真實世界的視頻。有了數(shù)字地圖，用戶可以知道當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(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，使虛擬目標與真實世界的環(huán)境保持一致，是移動增強實境應用面臨的主要挑戰(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/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。自導式MEMS傳感器是協(xié)助GPS實現(xiàn)一體化導航系統(tǒng)、提供室內(nèi)外LBS定位服務的理想選擇。

　　當天線沒有被遮擋時，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，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(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：導航級、戰(zhàn)術級和商用級。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：

　　 ?。?）

　　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：

　　　　（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，也應在計算中給予考慮。

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