智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備中的MEMS傳感器

室內(nèi)方位檢測

盡管智能手機(jī)內(nèi)置GPS接收器，在戶外的定位功能非常不錯(cuò)，可在數(shù)字地圖上顯示航向，但是，某些GPS接收器在室內(nèi)或高樓林立的城區(qū)無法接收衛(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(gè)天線無法為手機(jī)或汽車用戶提供俯仰/滾轉(zhuǎn)/航向等姿態(tài)信息。

DGPS的定位精度為幾cm，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(jī)用戶靜止時(shí)，至少需要三個(gè)GPS天線才能檢測到用戶的姿態(tài)信息。不過，目前還無法在一部智能手機(jī)上安裝多個(gè)GPS天線。

因此，僅有GPS的智能手機(jī)無法為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)的選擇。

當(dāng)天線沒有被遮擋時(shí)，GPS接收器的絕對定位精度是3m到20m，這個(gè)參數(shù)在一段時(shí)期后不會(huì)發(fā)生漂移。基于MEMS傳感器的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strap-down Inertial Navigation System，SINS) 可在很短時(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)（Pedestrian Dead Reckoning，PDR）是一個(gè)根據(jù)步長和方位計(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需要對步長進(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)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、戰(zhàn)術(shù)級和商用級。通過下面兩個(gè)方程式 ⑴ ，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_biasT2 (1)

其中ACC_bias是加速度計(jì)長期偏差穩(wěn)定性，單位是mg；g=9.81m/s2；T是雙重積分周期，單位是s；PE_ACC是ACC_bias造成的位置誤差，單位是m。

陀螺儀的位置誤差:PE_GYRO＝1/6 gGYRO_biasT3 (2)

其中g(shù)是地球重力，9.81m/s2；GYRO_bias

陀螺儀長期偏差穩(wěn)定性，單位是rad/s；T是雙重積分周期，單位是s，PE_ACC是GYRO_bias造成的位置誤差，單位是m。

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工藝上取得的進(jìn)步使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，使商用級產(chǎn)品更接近戰(zhàn)術(shù)級產(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較高的測量精度。當(dāng)GPS信號(hào)受阻時(shí)，這對于GPS/SINS一體化導(dǎo)航系統(tǒng)很有用。

對于消費(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100m的距離時(shí)，定位誤差應(yīng)該在5m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(gè)人走過100m的距離時(shí)，定位誤差應(yīng)該在3.5m范圍內(nèi)[即2×100m×sin(2°/2)]。

此外，由于MEMS壓力傳感器能夠測量相對于海平面的絕對氣壓。因此，它可以確定手機(jī)用戶在海平面以下600m到海平面以上 9000m之間的高度，輔助GPS的高度測量[2]。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)圖如圖2所示。

圖2 移動(dòng)設(shè)備行人航位推算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖