智能手機等移動(dòng)設備中的MEMS傳感器

室內方位檢測

盡管智能手機內置GPS接收器，在戶(hù)外的定位功能非常不錯，可在數字地圖上顯示航向，但是，某些GPS接收器在室內或高樓林立的城區無(wú)法接收衛星定位信號。即便在戶(hù)外，當汽車(chē)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)法區分微小的高度變化。此外，GPS僅憑一個(gè)天線(xiàn)無(wú)法為手機或汽車(chē)用戶(hù)提供俯仰/滾轉/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(A-GPS)在某種程度上有助于GPS獲得室內定位信息，但無(wú)法在可以接受的間隔內提供精確的定位信息。當手機用戶(hù)靜止時(shí)，至少需要三個(gè)GPS天線(xiàn)才能檢測到用戶(hù)的姿態(tài)信息。不過(guò)，目前還無(wú)法在一部智能手機上安裝多個(gè)GPS天線(xiàn)。

因此，僅有GPS的智能手機無(wú)法為用戶(hù)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(shí)現一體化導航系統、提供室內外LBS定位服務(wù)的選擇。

當天線(xiàn)沒(méi)有被遮擋時(shí)，GPS接收器的絕對定位精度是3m到20m，這個(gè)參數在一段時(shí)期后不會(huì )發(fā)生漂移?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/MEMS">MEMS傳感器的捷聯(lián)式慣性導航系統(Strap-down Inertial Navigation System，SINS) 可在很短時(shí)間內提供精確的定位信息。但是，根據運動(dòng)傳感器的性能，這種導航系統在使用一段時(shí)間后很快就會(huì )發(fā)生精度漂移現象。行人航位推算系統（Pedestrian Dead Reckoning，PDR）是一個(gè)根據步長(cháng)和方位計算從室內已知初始位置開(kāi)始的行走距離的相對導航系統，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)境內保持航向精度。此外，GPS需要對步長(cháng)進(jìn)行校準，才能達到可以接受的定位精度。

按照捷聯(lián)式慣性導航系統理論，根據內在的偏差漂移和比例因數，慣性傳感器(3軸加速度計和3軸陀螺儀)可分為三大類(lèi)：導航級、戰術(shù)級和商用級。通過(guò)下面兩個(gè)方程式 ⑴ ，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: PE_ACC＝1/2 ACC_biasT2 (1)

其中ACC_bias是加速度計長(cháng)期偏差穩定性，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(cháng)期偏差穩定性，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)方程式可用于計算典型慣性傳感器的性能和長(cháng)期偏差穩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(shí)，這些誤差不會(huì )隨時(shí)間推移而擴大，其它引起位置誤差的因素，如失匹、非線(xiàn)性和溫度影響，也應在計算中給予考慮。

最近在MEMS工藝上取得的進(jìn)步使MEMS加速度計和陀螺儀能夠連續地提供更高的定位性能，使商用級產(chǎn)品更接近戰術(shù)級產(chǎn)品的性能。在較短的時(shí)間，如1分鐘內，獨立的加速度計和陀螺儀可取得相對較高的測量精度。當GPS信號受阻時(shí)，這對于GPS/SINS一體化導航系統很有用。

對于消費電子產(chǎn)品，室內行人航位推算系統5%的行進(jìn)距離誤差通常是可以接受的。例如，當一個(gè)人走過(guò)100m的距離時(shí)，定位誤差應該在5m范圍內。這要求航向誤差在±2°到±5°之間[2]。例如，如果航位誤差是2°，當一個(gè)人走過(guò)100m的距離時(shí)，定位誤差應該在3.5m范圍內[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，它可以確定手機用戶(hù)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結構圖如圖2所示。

圖2 移動(dòng)設備行人航位推算系統結構圖