智能手機等移動(dòng)設備中的MEMS傳感器

MEMS傳感器整合

傳感器整合是一套數字濾波算法，用于修正每個(gè)獨立傳感器的缺陷，然后輸出精確、響應快速、動(dòng)態(tài)的（俯仰/滾轉/偏航）姿態(tài)測量結果。其目的是把每個(gè)傳感器的測量數據作為輸入數據，然后應用數字過(guò)濾算法對輸入數據進(jìn)行相互修正，最后輸出精確、響應快速、動(dòng)態(tài)的姿態(tài)測量結果。因此，航向或方位不受環(huán)境磁干擾的影響，沒(méi)有陀螺儀的零點(diǎn)漂移問(wèn)題。

能夠修正傾斜度的數字羅盤(pán)由一個(gè)3軸加速度計和一個(gè)3軸磁力計組成，可提供以地球北極為參考的航向信息，但是這個(gè)航向信息容易受到環(huán)境磁力的干擾。如果安裝一個(gè)3軸陀螺儀，開(kāi)發(fā)一個(gè)9軸傳感器整合解決方案，則可以隨時(shí)隨地保持精確的航向信息。

在設計多個(gè)MEMS傳感器的系統時(shí)，了解下面每種MEMS傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)很重要。

加速度計:在靜態(tài)或慢速運動(dòng)狀態(tài)下，可用于傾斜度修正型數字羅盤(pán)；或用于計步器的檢測功能，檢測行人當前是靜止還是運動(dòng)狀態(tài)。不過(guò)，當系統在3D空間靜止時(shí)，加速度計無(wú)法區分真正的線(xiàn)性加速度與地球重力，而且容易受到震動(dòng)和振蕩的影響。

陀螺儀:可以連續提供從系統載體坐標到局部地球水平坐標的旋轉矩陣，當磁力計受到干擾時(shí)，陀螺儀可輔助數字羅盤(pán)計算航向數據。長(cháng)時(shí)間的零點(diǎn)漂移會(huì )導致無(wú)限制的姿態(tài)和定位錯誤。

磁力計:可計算以地球北極為參考方向的絕對航向，并且可用于校準陀螺儀的靈敏度，但容易受到環(huán)境磁場(chǎng)的干擾。

壓力傳感器:在室內導航時(shí)，壓力傳感器可告訴你身處哪一樓層，輔助GPS可計算高度；當GPS信號變弱時(shí)，輔助GPS提高定位精度，但是容易受到氣流和天氣狀況的影響。

基于以上各方面考慮，卡爾曼濾波器是最常用的整合不同傳感器輸入信息的數學(xué)方法。這種方法權衡不同傳感器的作用，給性能最高的方面最高權數，因此，與基于單一媒介的導航系統相比，卡爾曼濾波器算法的估算結果更精確可靠[3]。目前的傳感器整合方案中，基于四元數的擴展型卡爾曼濾波器(EKF)很受歡迎，因為四元數只有4個(gè)元素，而旋轉矩陣有9個(gè)元素，此外，四元數法還避免了旋轉矩陣的特殊問(wèn)題[3]。

結論

隨時(shí)隨地精確定位是增強實(shí)境等先進(jìn)移動(dòng)應用面臨的主要挑戰，因為增強實(shí)境與行人航位推算（PDR）或定位服務(wù)（LBS）的關(guān)系密切。鑒于GPS接收器的接收限制，MEMS傳感器對室內行人航位推算應用很有吸引力，因為這些傳感器大多數已經(jīng)出現在智能手機內。

要想取得5%的室內行人航位推算定位誤差，需要開(kāi)發(fā)MEMS傳感器整合算法，以修正每個(gè)傳感器的缺陷，使這些傳感器實(shí)現優(yōu)勢互補。隨著(zhù)MEMS傳感器的性能不斷提高，在不遠的將來(lái)，與用戶(hù)無(wú)關(guān)的SINS/GPS一體化導航系統將會(huì )成為智能手機的標準配置。（作者：Jay Esfandyari，Paolo Bendiscioli，Gang Xu）

參考文獻
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-sensors-pedestrian-navigation-7896
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