MEMS传感器在移动设备上的应用介绍

　　对于消费电子产品，室内行人航位推算系统5%的行进距离误差通常是可以接受的。例如，当一个人走过100米的距离时，定位误差应该在5米范围内。这要求航向误差在 ±2°到±5°之间［2］。例如，如果航位误差是2°，当一个人走过100米的距离时，定位误差应该在3.5米范围内 ［= 2*100m*sin（2°/2）］。

　　此外，MEMS压力传感器能够测量相对于海平面的绝对气压。因此，MEMS传感器可以确定手机用户在海平面以下 600米到海平面以上 9000米之间的高度，辅助GPS的高度测量［2］。图3所示是利用MEMS传感器与GPS接收器的行人航位推算系统结构图。

　　图 3： 移动设备行人航位推算系统结构图

　　3. MEMS传感器整合

　　传感器整合是一套数字滤波算法，用于修正每个独立传感器的缺陷，然后输出精确的响应快速的动态的（俯仰/滚转/偏航）姿态测量结果。传感器整合的目的是把每个传感器的测量数据作为输入数据，然后应用数字过滤算法对输入数据进行相互修正，最后输出精确的响应快速的动态的姿态测量结果。因此，航向或方位不受环境磁干扰的影响，没有陀螺仪的零偏漂移问题。

　　能够修正倾斜度的数字罗盘是由一个3轴加速度计和一个3轴磁力计组成，可提供以地球北极为参考的航向信息。但是这个航向信息容易受到环境磁力的干扰。如果安装一个3轴陀螺仪，开发一个9轴传感器整合解决方案，则可以随时随地保持精确的航向信息。

　　在设计一个使用多个MEMS传感器的系统时，了解下表所列的每个MEMS传感器的优缺点是很重要的。

　　•加速度计：在静态或慢速运动状态下可用于倾斜度修正型数字罗盘；可用于计步器的检测功能，检测步行人当前的状态是静止还是运动。不过，当系统在3D空间静止时，加速度计无法区分真正的线性加速度与地球重力，而且容易受到震动和振荡的影响。

　　•陀螺仪：可以连续提供从系统载体坐标到局部地球水平坐标的旋转矩阵，当磁力计受到干扰时，陀螺仪可辅助数字罗盘计算航向数据。长时间的零偏漂移导致无限制的姿态和定位错误。

　　•磁力计：可计算以地球北极为参考方向的绝对航向，并且可用于校准陀螺仪的灵敏度，但容量受到环境磁场的干扰。

　　•压力传感器：在室内导航时，压力传感器可告诉你身处哪一楼层，辅助GPS计算高度；当GPS信号变弱时，辅助GPS提高定位精度，但是容易受到气流和天气状况的影响。

　　基于以上各方面考虑，卡尔曼滤波器是最常用的整合不同的传感器输入信息的数学方法。这种方法权衡不同的传感器的作用，给性能最高的方面最高权数，因此，与基于单一媒介的导航系统相比，卡尔曼滤波器算法的估算结果更精确可靠 ［3］。

　　目前基于四元数的扩展型卡尔曼滤波器（EKF）是一个很受欢迎的传感器整合方案，因为四元数只有4个元素，而旋转矩阵有9个元素，此外，四元数法还避免了旋转矩阵的特殊问题 ［3］。

　　4.结论

　　随时随地精确定位是增强实境等先进移动应用面临的主要挑战，因为增强实境与行人航位推算（PDR）或定位服务（LBS）的关系密切。鉴于GPS接收器的接收限制，MEMS传感器对室内行人航位推算应用很有吸引力，因为这些传感器大多数已经出现在智能手机内。

　　要想取得5%的室内行人航位推算定位误差，需要开发MEMS传感器整合算法，以修正每个传感器的缺陷，使这些传感器实现优势互补。随着MEMS传感器的性能不断提高，在不远的将来，与用户无关的SINS/GPS一体化导航系统将会成为智能手机的标准配置。

　　5.参考文献

　　1.A. Lawrence， Modern Inertial Technology： Navigation， Guidance， and Control， ISBN： 978-0387985077 （hardback）， 0387985077 （electronic）， 1998

　　2.STMicroelectronics， Inc.

　　J. Esfandyari et al， MEMS Pressure Sensors in Pedestrian Navigation， Sensors Magazine， Dec. 2010

　　http://www.sensorsmag.com/electronics-computers/consumer/mems-pressure-s.。.

　　3.Greg Welch， Gary Bishop， An Introduction to the Kalman Filter， University of North Carolina at Chapel Hill

　　4.A. Sabatini， Quaternion-Based Extended Kalman Filter for Determining Orientation by Inertial and Magnetic Sensing， IEEE transaction on biomedical engineering， Vol. 53， No. 7， July 2006

　　http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp？arnumber=1643403

　　6.缩略语

　　A-GPS – 辅助全球定位系统

　　API – 应用编程界面

　　DGPS– 差分全球定位系统

　　EKF – 扩展型卡尔曼滤波器

　　GPS – 全球定位系统

　　LBS – 定位服务

　　LCD – 液晶显示屏

　　MAR – 手机增强实境

　　MEMS– 微机电系统

　　PDR – 行人航位推算

　　SDK – 软件开发工具

　　SINS – 捷联式惯性导航系统

　　UI– 用户界面