現(xiàn)代MEMS傳感器包括加速度計(jì)（ACC）、陀螺儀（GYRO）、磁力計(jì)（MAG）、壓力傳感器（PS）和話筒（MIC）。因?yàn)榈统杀荆〕叽纾凸模咝阅埽琈EMS傳感器近幾年來被集成到便攜設(shè)備內(nèi)。

本文將論述MEMS傳感器在先進(jìn)移動(dòng)應(yīng)用中的作用，例如，移動(dòng)增強(qiáng)實(shí)境（MAR）、定位服務(wù)（LBS）和利用航位推算法確定方位的MEMS傳感器與GPS接收器整合解決方案。

增強(qiáng)實(shí)境

增強(qiáng)實(shí)境（AR）不是一個(gè)新話題。根據(jù)定義，增強(qiáng)實(shí)境是在一個(gè)實(shí)時(shí)顯示的真實(shí)環(huán)境上迭加圖形、聲音和其它感知強(qiáng)化技術(shù)，并使其具有互動(dòng)性和可操縱性的功能或用戶界面。在一個(gè)真實(shí)環(huán)境內(nèi)融合3D虛擬信息有助于提高用戶對虛擬目標(biāo)周圍環(huán)境的真實(shí)感。

最近增強(qiáng)實(shí)境技術(shù)出現(xiàn)了幾個(gè)成功的應(yīng)用案例。例如，汽車安全設(shè)備把路況和汽車周圍情況的信息投射到前檔風(fēng)玻璃上，讓駕駛員對汽車所在位置有一個(gè)全面了解。另一個(gè)應(yīng)用示例是把智能手機(jī)對準(zhǔn)一個(gè)方位已知的目標(biāo)，例如飯店或超市，手機(jī)就會顯示所指目標(biāo)的信息。此外，如果你身處一個(gè)陌生的大城市，這個(gè)功能還能幫助你找到最近的地鐵站，只要把手機(jī)旋轉(zhuǎn)360度，即可鎖定地鐵路線，沿所指方向到達(dá)目的地。

社交網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代人的生活中扮演著重要作用。當(dāng)一個(gè)人接近一個(gè)購物中心時(shí)，他可以用手機(jī)指向購物中心。然后，他的朋友將會收到經(jīng)過數(shù)字處理技術(shù)強(qiáng)化的他所在位置和周邊環(huán)境的虛擬信息。反之亦然，他也會收到他朋友的方位和周邊信息。因此，增強(qiáng)實(shí)境是一種改變?nèi)藗儗φ鎸?shí)世界的感覺的新方式。

由于智能手機(jī)市場高速增長，移動(dòng)設(shè)備開始興起增強(qiáng)實(shí)境應(yīng)用。圖1所示是智能手機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)增強(qiáng)實(shí)境所需的關(guān)鍵組件。

● 數(shù)字?jǐn)z像頭：用于傳送真實(shí)世界環(huán)境的信息流，并在液晶觸摸屏上顯示捕獲的視頻。目前新款智能手機(jī)上已配備500萬像素或更高分辨率的成像傳感器。

● CPU、手機(jī)操作系統(tǒng)、用戶界面和軟件開發(fā)工具：這些是智能手機(jī)的核心組件。現(xiàn)在新的智能手機(jī)配備1GHz以上的雙核CPU、512MB RAM內(nèi)存和32GB存儲器。在應(yīng)用開發(fā)過程中，用戶界面和軟件開發(fā)工具（SDK）讓開發(fā)人員輕松地調(diào)用應(yīng)用程序接口，訪問圖形、無線通信功能、數(shù)據(jù)庫和MEMS傳感器原始數(shù)據(jù)，無需知道這些代碼背后的詳細(xì)原理。

● 高靈敏度GPS接收器或A-GPS或DGPS：當(dāng)捕獲到有效的衛(wèi)星信號時(shí)，這些模塊用于確定用戶當(dāng)前的經(jīng)緯度位置。多年來人們一直在研究提高GPS接收機(jī)在室內(nèi)和高樓林立的地區(qū)的接收靈敏度和定位精度，因?yàn)樵谶@類地區(qū)衛(wèi)星信號變?nèi)酰l(fā)生多信道干擾錯(cuò)誤。

● 無線數(shù)據(jù)傳輸接口，包括GSM/GPRS、WiFi、藍(lán)牙和RFID：無線數(shù)據(jù)接口的主要目的是接入互聯(lián)網(wǎng)，檢索當(dāng)前位置目標(biāo)的在線數(shù)據(jù)庫，在等待GPS定位或沒有GPS信號時(shí)提供簡要的定位信息。如果建筑物內(nèi)預(yù)裝了發(fā)射器，其它的近距離無線連接如WLAN、藍(lán)牙和RFID也可以提供精度適當(dāng)?shù)氖覂?nèi)定位信息。

● 本機(jī)或在線數(shù)據(jù)庫：用于把增強(qiáng)的虛擬目標(biāo)信息迭加到真實(shí)世界視頻上。當(dāng)目標(biāo)與當(dāng)前方位吻合時(shí)，系統(tǒng)將能從本機(jī)數(shù)據(jù)庫或在線數(shù)據(jù)庫檢索目標(biāo)的信息。然后用戶可以點(diǎn)擊觸摸屏上的超級鏈接或圖標(biāo)，接收更加詳細(xì)的方位信息。

● 內(nèi)置數(shù)字地圖的液晶觸摸屏：提供高分辨率的用戶界面，顯示含有虛擬目標(biāo)信息的真實(shí)世界的視頻。有了數(shù)字地圖，用戶可以知道當(dāng)前位置所在街道名稱，無需配戴任何特殊的3D眼鏡。

● MEMS傳感器（加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀和壓力傳感器）：這些傳感器是自導(dǎo)式組件，隨時(shí)隨地工作。因?yàn)榈统杀尽⑿〕叽纭⑤p量、低功耗、高性能，它們成為行人航位推算應(yīng)用的首選半導(dǎo)體產(chǎn)品。這些傳感器與GPS接收器集成在一起可以在室內(nèi)外獲得方位信息。下面的內(nèi)容將探討這些傳感器在提高室內(nèi)導(dǎo)航精度中所扮演的重要角色。

隨時(shí)隨地獲取精確且可靠的方位信息，使虛擬目標(biāo)與真實(shí)世界的環(huán)境保持一致，是移動(dòng)增強(qiáng)實(shí)境應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)。

室內(nèi)方位檢測

僅有GPS的智能手機(jī)不能為手機(jī)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)的理想選擇。

當(dāng)天線沒有被遮擋時(shí)，現(xiàn)代的GPS接收器的絕對定位精度是3米到20米，這個(gè)參數(shù)不會在一段時(shí)期后發(fā)生漂移。基于MEMS傳感器的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）可在很短的時(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)間后很快就會發(fā)生精度漂移現(xiàn)象。行人航位推算系統(tǒng)（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)（SINS）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。

當(dāng)慣性傳感器與GPS集成在一起時(shí)，其水平位置誤差不會隨時(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制程上取得的進(jìn)步讓 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，使商用級的產(chǎn)品更加接近戰(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。

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

MEMS傳感器整合

傳感器整合是一套數(shù)字濾波算法，用于修正每個(gè)獨(dú)立傳感器的缺陷，然后輸出精確的響應(yīng)快速的動(dòng)態(tài)的（俯仰/滾轉(zhuǎn)/偏航）姿態(tài)測量結(jié)果。傳感器整合的目的是把每個(gè)傳感器的測量數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用數(shù)字過濾算法對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行相互修正，最后輸出精確的響應(yīng)快速的動(dòng)態(tài)的姿態(tài)測量結(jié)果。因此，航向或方位不受環(huán)境磁干擾的影響，沒有陀螺儀的零偏漂移問題。

能夠修正傾斜度的數(shù)字羅盤是由一個(gè)3軸加速度計(jì)和一個(gè)3軸磁力計(jì)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(shè)計(jì)一個(gè)使用多個(gè)MEMS傳感器的系統(tǒng)時(shí)，了解下面所列的每個(gè)MEMS傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)是很重要的。

● 加速度計(jì)：在靜態(tài)或慢速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下可用于傾斜度修正型數(shù)字羅盤；可用于計(jì)步器的檢測功能，檢測步行人當(dāng)前的狀態(tài)是靜止還是運(yùn)動(dòng)。不過，當(dāng)系統(tǒng)在3D空間靜止時(shí)，加速度計(jì)無法區(qū)分真正的線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(xù)提供從系統(tǒng)載體坐標(biāo)到局部地球水平坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)矩陣，當(dāng)磁力計(jì)受到干擾時(shí)，陀螺儀可輔助數(shù)字羅盤計(jì)算航向數(shù)據(jù)。長時(shí)間的零偏漂移導(dǎo)致無限制的姿態(tài)和定位錯(cuò)誤。

● 磁力計(jì)：可計(jì)算以地球北極為參考方向的絕對航向，并且可用于校準(zhǔn)陀螺儀的靈敏度，但容量受到環(huán)境磁場的干擾。

● 壓力傳感器：在室內(nèi)導(dǎo)航時(shí)，壓力傳感器可告訴你身處哪一樓層，輔助GPS計(jì)算高度；當(dāng)GPS信號變?nèi)鯐r(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的傳感器輸入信息的數(shù)學(xué)方法。這種方法權(quán)衡不同的傳感器的作用，給性能最高的方面最高權(quán)數(shù)，因此，與基于單一媒介的導(dǎo)航系統(tǒng)相比，卡爾曼濾波器算法的估算結(jié)果更精確可靠。

目前基于四元數(shù)的擴(kuò)展型卡爾曼濾波器（EKF）是一個(gè)很受歡迎的傳感器整合方案，因?yàn)樗脑獢?shù)只有4個(gè)元素，而旋轉(zhuǎn)矩陣有9個(gè)元素，此外，四元數(shù)法還避免了旋轉(zhuǎn)矩陣的特殊問題。

結(jié)論

隨時(shí)隨地精確定位是增強(qiáng)實(shí)境等先進(jìn)移動(dòng)應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)，因?yàn)樵鰪?qiáng)實(shí)境與行人航位推算或定位服務(wù)的關(guān)系密切。鑒于GPS接收器的接收限制，MEMS傳感器對室內(nèi)行人航位推算應(yīng)用很有吸引力，因?yàn)檫@些傳感器大多數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在智能手機(jī)內(nèi)。

要想取得5%的室內(nèi)行人航位推算定位誤差，需要開發(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(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。隨著MEMS傳感器的性能不斷提高，在不遠(yuǎn)的將來，SINS/GPS一體化導(dǎo)航系統(tǒng)將會成