個(gè)人導航儀中的MEMS壓力傳感器

圖4中每個(gè)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；檢索地球偏轉角信息，根據地理前進(jìn)方向修正磁力計前進(jìn)方向；當GPS信號增強時(shí)校準計數器步長(cháng)；分別向慣性導航系統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)：當行人保持靜止時(shí)，GPS無(wú)法確定前進(jìn)方向；無(wú)法檢測高度（海拔高度）的細微變化。

•加速度計:
o優(yōu)點(diǎn)：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)；在線(xiàn)性加速度狀態(tài)下可用于計步器的檢測功能；用于檢測步行人當前的狀態(tài)是靜止還是運動(dòng)。
o缺點(diǎn)：當智能手機旋轉時(shí)，無(wú)法從地球重力組分中區別真正的線(xiàn)性加速度；對震動(dòng)和振蕩過(guò)于敏感

•陀螺儀:
o優(yōu)點(diǎn)：能夠向慣性導航系統連續提供旋轉矩陣；當磁力計受到干擾時(shí)，輔助數字羅盤(pán)計算前進(jìn)方向信息
o缺點(diǎn)：長(cháng)時(shí)間的零偏漂移導致無(wú)限的INS定位錯誤。

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

•壓力傳感器:
o優(yōu)點(diǎn)：在室內導航應用中可區分樓層；當GPS衛星信號較弱時(shí)，可輔助GPS計算高度，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)現方式
有兩種方法可以在智能手機上實(shí)現PNS或PDR導航。第一種方法是利用捷聯(lián)式慣性導航系統(SINS)實(shí)現PNS；第二種方法是利用計步器方法實(shí)現PDR。這兩種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

捷聯(lián)慣導系統是基于一個(gè)3軸加速度計和一個(gè)3軸陀螺儀的6自由度(DOF)慣性測量單元。捷聯(lián)慣導系統被成功用于外殼剛性很強的設備內，例如，慣性測量單元被永久性安裝在汽車(chē)和導彈內。該系統在短時(shí)間內的定位精度相對較高。因為低成本MEMS運動(dòng)傳感器的零偏漂移問(wèn)題，當沒(méi)有GPS衛星信號時(shí)，經(jīng)過(guò)積分和二重積分運算后，定位誤差會(huì )隨時(shí)間推移而變大。此外，行人通常把智能手機放在衣袋或掛在腰帶上，他們隨時(shí)都會(huì )從衣袋里或腰帶上取出手機查看當前所在方位。這就是說(shuō)，智能手機與用戶(hù)身體的相對位置不固定。

不過(guò)，SINS/GPS集成化PNS系統的優(yōu)點(diǎn)是定位與用戶(hù)無(wú)關(guān)，這就是說(shuō)，所有用戶(hù)無(wú)需給智能手機建?；蛴柧氈悄苁謾C，以適應不同類(lèi)型的行人的動(dòng)作，例如，步行、跑步和上下樓梯等。

計步器/GPS集成化PDR系統的優(yōu)點(diǎn)是定位精度主要取決于加速度計計步和GPS步長(cháng)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精確檢測腳步 [3]。這個(gè)過(guò)程的基本原理是，智能手機在行人的腰帶后部無(wú)論如何放置，都能自動(dòng)發(fā)現垂直主軸；然后，將加速度測量數據與第一個(gè)參考閾值對比，隨后，參考閾值將根據不同的運動(dòng)類(lèi)型自動(dòng)更新。因此，加速度計可以準確計算行人步行、跑步和上下樓梯時(shí)的步數。

第二步是當GPS信號很強時(shí)校準步長(cháng)。智能手機計算行人的平均步長(cháng)的方法是，用從GPS開(kāi)始測量起經(jīng)過(guò)的距離除以上面的計步器算法得出的步數。步行人的所有的運動(dòng)類(lèi)型，例如 ，慢走、快走、慢跑、快跑、上下樓梯等，都需要執行步長(cháng)校準步驟。不同的行人有不同的運動(dòng)方式。因此，PDR與用戶(hù)有關(guān)，所有的步行人都需要一個(gè)自動(dòng)校準或自我訓練的步長(cháng)估算算法。

第三步是整合加速度計、陀螺儀、磁力計和GPS接收器的數據求解精確的前進(jìn)信息。在估算完步長(cháng)后，求解航位推測應用的另一個(gè)關(guān)鍵參數：以地球北極為參考點(diǎn)的絕對前進(jìn)方向。在一個(gè)無(wú)磁場(chǎng)干擾的環(huán)境內，加速度計和磁力計測量結果產(chǎn)生的傾斜度修正的數字羅盤(pán)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定位信息能夠根據位置檢索傾斜角，然后，把羅盤(pán)提供的前進(jìn)方向數據轉化成地理前進(jìn)方向信息。如果周?chē)h(huán)境沒(méi)有干擾磁場(chǎng)，可以利用磁力計的測量數值提取前進(jìn)方向信息。如果發(fā)現干擾磁場(chǎng)，陀螺儀將接替磁力計的工作，在上一次無(wú)干擾的羅盤(pán)前進(jìn)信號輸出基礎上提供連續的前進(jìn)信息輸出。

一旦發(fā)現外界磁場(chǎng)干擾消失，陀螺儀將立即停止運行，羅盤(pán)將接替陀螺儀恢復運轉。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)之為陀螺儀輔助數字羅盤(pán)。當智能手機是靜止狀態(tài)時(shí)，加速度計就會(huì )讓陀螺儀定期更新零角速率電平以備將來(lái)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。當行人在購物中心乘坐電梯或登樓梯時(shí)，壓力傳感器會(huì )更新數字地圖，顯示行人當前所在樓層。壓力傳感器還能利用卡爾曼濾波器濾除加速度計的Z軸漂移。

第五步是開(kāi)發(fā)卡爾曼濾波算法，合并10-D傳感器模組數據與GPS數據。所有的GPS接收器都有1個(gè)PPS (脈沖/秒)輸出信號，使GPS與傳感器的數據傳輸同步，傳感器的采樣速率可以更快，例如50Hz或100Hz。當能夠收到GPS衛星信號時(shí)，卡爾曼濾波器將使用GPS輸出數據計算導航信息；相反，當GPS衛星信號被屏蔽時(shí)，則使用航位推測算法輸出的數據。當GPS信號恢復時(shí)，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上測試PDR的性能。對于消費電子產(chǎn)品，5%的行進(jìn)距離誤差通常是可以接受的。例如，當一個(gè)人在室內走過(guò)100米的距離時(shí)，定位誤差應該在5米范圍內。