個人導(dǎo)航儀中的MEMS壓力傳感器

圖4中每個組件的優(yōu)缺點(diǎn)歸納如下：

•GPS接收器:
o優(yōu)點(diǎn)：GPS可以提供進(jìn)入建筑物前的初始方位；檢索地球偏轉(zhuǎn)角信息，根據(jù)地理前進(jìn)方向修正磁力計(jì)前進(jìn)方向；當(dāng)GPS信號增強(qiáng)時校準(zhǔn)計(jì)數(shù)器步長；分別向慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的松耦合和緊耦合卡爾曼濾波算法提供有界的精確方位信息（經(jīng)緯度）輸出和偽距原始測量輸出。
o缺點(diǎn)：當(dāng)行人保持靜止時，GPS無法確定前進(jìn)方向；無法檢測高度（海拔高度）的細(xì)微變化。

•加速度計(jì):
o優(yōu)點(diǎn)：在靜態(tài)或慢速運(yùn)動狀態(tài)下可用于傾斜度修正型數(shù)字羅盤；在線性加速度狀態(tài)下可用于計(jì)步器的檢測功能；用于檢測步行人當(dāng)前的狀態(tài)是靜止還是運(yùn)動。
o缺點(diǎn)：當(dāng)智能手機(jī)旋轉(zhuǎn)時，無法從地球重力組分中區(qū)別真正的線性加速度；對震動和振蕩過于敏感

•陀螺儀:
o優(yōu)點(diǎn)：能夠向慣性導(dǎo)航系統(tǒng)連續(xù)提供旋轉(zhuǎn)矩陣；當(dāng)磁力計(jì)受到干擾時，輔助數(shù)字羅盤計(jì)算前進(jìn)方向信息
o缺點(diǎn)：長時間的零偏漂移導(dǎo)致無限的INS定位錯誤。

•磁力計(jì):
o優(yōu)點(diǎn)：能夠根據(jù)地磁北極計(jì)算精確的前進(jìn)方向；能夠用于校準(zhǔn)陀螺儀的靈敏度。
o缺點(diǎn)：容易受到環(huán)境磁場干擾

•壓力傳感器:
o優(yōu)點(diǎn)：在室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用中可區(qū)分樓層；當(dāng)GPS衛(wèi)星信號較弱時，可輔助GPS計(jì)算高度，提高定位精確度；
o缺點(diǎn)：容易受到氣流和天氣狀況的影響。

3.2 PNS或PDR的實(shí)現(xiàn)方式
有兩種方法可以在智能手機(jī)上實(shí)現(xiàn)PNS或PDR導(dǎo)航。第一種方法是利用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS)實(shí)現(xiàn)PNS；第二種方法是利用計(jì)步器方法實(shí)現(xiàn)PDR。這兩種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是基于一個3軸加速度計(jì)和一個3軸陀螺儀的6自由度(DOF)慣性測量單元。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)被成功用于外殼剛性很強(qiáng)的設(shè)備內(nèi)，例如，慣性測量單元被永久性安裝在汽車和導(dǎo)彈內(nèi)。該系統(tǒng)在短時間內(nèi)的定位精度相對較高。因?yàn)榈统杀綧EMS運(yùn)動傳感器的零偏漂移問題，當(dāng)沒有GPS衛(wèi)星信號時，經(jīng)過積分和二重積分運(yùn)算后，定位誤差會隨時間推移而變大。此外，行人通常把智能手機(jī)放在衣袋或掛在腰帶上，他們隨時都會從衣袋里或腰帶上取出手機(jī)查看當(dāng)前所在方位。這就是說，智能手機(jī)與用戶身體的相對位置不固定。

不過，SINS/GPS集成化PNS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是定位與用戶無關(guān)，這就是說，所有用戶無需給智能手機(jī)建模或訓(xùn)練智能手機(jī)，以適應(yīng)不同類型的行人的動作，例如，步行、跑步和上下樓梯等。

計(jì)步器/GPS集成化PDR系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是定位精度主要取決于加速度計(jì)計(jì)步和GPS步長估算，定位誤差始終是有限的 [2]。

PDR的第一步是使用加速度計(jì)精確檢測腳步 [3]。這個過程的基本原理是，智能手機(jī)在行人的腰帶后部無論如何放置，都能自動發(fā)現(xiàn)垂直主軸；然后，將加速度測量數(shù)據(jù)與第一個參考閾值對比，隨后，參考閾值將根據(jù)不同的運(yùn)動類型自動更新。因此，加速度計(jì)可以準(zhǔn)確計(jì)算行人步行、跑步和上下樓梯時的步數(shù)。

第二步是當(dāng)GPS信號很強(qiáng)時校準(zhǔn)步長。智能手機(jī)計(jì)算行人的平均步長的方法是，用從GPS開始測量起經(jīng)過的距離除以上面的計(jì)步器算法得出的步數(shù)。步行人的所有的運(yùn)動類型，例如 ，慢走、快走、慢跑、快跑、上下樓梯等，都需要執(zhí)行步長校準(zhǔn)步驟。不同的行人有不同的運(yùn)動方式。因此，PDR與用戶有關(guān)，所有的步行人都需要一個自動校準(zhǔn)或自我訓(xùn)練的步長估算算法。

第三步是整合加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)和GPS接收器的數(shù)據(jù)求解精確的前進(jìn)信息。在估算完步長后，求解航位推測應(yīng)用的另一個關(guān)鍵參數(shù)：以地球北極為參考點(diǎn)的絕對前進(jìn)方向。在一個無磁場干擾的環(huán)境內(nèi)，加速度計(jì)和磁力計(jì)測量結(jié)果產(chǎn)生的傾斜度修正的數(shù)字羅盤能夠提供以地球北極為參照點(diǎn)的精確的前進(jìn)方向。

在進(jìn)入建筑物前，GPS定位信息能夠根據(jù)位置檢索傾斜角，然后，把羅盤提供的前進(jìn)方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成地理前進(jìn)方向信息。如果周圍環(huán)境沒有干擾磁場，可以利用磁力計(jì)的測量數(shù)值提取前進(jìn)方向信息。如果發(fā)現(xiàn)干擾磁場，陀螺儀將接替磁力計(jì)的工作，在上一次無干擾的羅盤前進(jìn)信號輸出基礎(chǔ)上提供連續(xù)的前進(jìn)信息輸出。

一旦發(fā)現(xiàn)外界磁場干擾消失，陀螺儀將立即停止運(yùn)行，羅盤將接替陀螺儀恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這個過程被稱之為陀螺儀輔助數(shù)字羅盤。當(dāng)智能手機(jī)是靜止?fàn)顟B(tài)時，加速度計(jì)就會讓陀螺儀定期更新零角速率電平以備將來使用。

第四步是從壓力傳感器和GPS接收器獲得精確的高度信息。當(dāng)行人在購物中心乘坐電梯或登樓梯時，壓力傳感器會更新數(shù)字地圖，顯示行人當(dāng)前所在樓層。壓力傳感器還能利用卡爾曼濾波器濾除加速度計(jì)的Z軸漂移。

第五步是開發(fā)卡爾曼濾波算法，合并10-D傳感器模組數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)。所有的GPS接收器都有1個PPS (脈沖/秒)輸出信號，使GPS與傳感器的數(shù)據(jù)傳輸同步，傳感器的采樣速率可以更快，例如50Hz或100Hz。當(dāng)能夠收到GPS衛(wèi)星信號時，卡爾曼濾波器將使用GPS輸出數(shù)據(jù)計(jì)算導(dǎo)航信息；相反，當(dāng)GPS衛(wèi)星信號被屏蔽時，則使用航位推測算法輸出的數(shù)據(jù)。當(dāng)GPS信號恢復(fù)時，該濾波器還能估算需要修正的傳感器誤差。

最后一步是在智能手機(jī)上測試PDR的性能。對于消費(fèi)電子產(chǎn)品，5%的行進(jìn)距離誤差通常是可以接受的。例如，當(dāng)一個人在室內(nèi)走過100米的距離時，定位誤差應(yīng)該在5米范圍內(nèi)。