MEMS传感器在移动设备上的应用介绍
MEMS传感器涵盖加速度计，陀螺仪，磁力计，压力感应器以及麦克风。凭借价格实惠，体积微缩，能耗节省，功能卓越等优势，这类传感器近些年得以嵌入便携式装置之中。
高性能的中央处理器、能够同时处理多项工作的系统软件、反应迅速的全球定位系统接收设备、支持3G或4G网络连接的无线传输单元、像素密度高的数字成像装置、支持触控输入的液晶显示器以及存储空间充裕的存储介质是各类移动电话普遍具备的要素。微型机械电子传感器的功能现已超越现有应用范畴，诸如用以改变显示方向、实现节能效果、感知身体活动、提供方位指引以及运行立体图像游戏等场景。如今，导航设备公司正致力于研究更精密的微机电系统器件，诸如，用于扩展现实技术，提供位置信息，以及个人移动追踪装置。
本文旨在阐述微型机电系统器件在尖端移动设备中的功能，比如，在移动增强现实领域，在定位服务方面，以及在结合航位推算技术确定方向时，微型机电系统器件与全球定位系统接收设备联合应用的模式。
1.增强实境
增强现实并非全新概念。所谓增强现实，就是将图形、声音等感知强化技术叠加于实时呈现的真实环境之中，并赋予其互动性与可操控性的一种功能或界面。在真实场景中整合三维虚拟信息，能够提升用户对虚拟目标周边环境的真实感受。
近期增强现实技术有几个显著的实践成果。比如，汽车安全装置能够将道路状况和车辆周边环境的信息投射到挡风玻璃上，帮助驾驶员全面掌握车辆位置。此外，当智能手机对准一个已知方位的目标，比如餐厅或超市时，手机就会展示该目标的详细信息。另外，若你身处一个不熟悉的城市，这个功能也能帮你发现最近的地铁站点，只需将手机转动整圈，就能锁定地铁路径，朝着箭头指引的方向前往终点。
社交网络在当代人的日常生活中占据着关键地位。当有人靠近商场时，他能够用手机对准该地点。紧接着，他的朋友们便会收到经过技术手段处理过的关于他当前所处位置以及周边景色的虚拟数据。同样地，他本人也能获取到他的朋友们的位置和周边情况的信息。由此可见，强化现实提供了一种更新人们对真实环境认知的途径。
手机市场发展迅猛，便携式设备逐渐普及虚拟现实功能，图1展示的是在个人数字设备上达成便携式虚拟现实必须具备的核心要素。
图 1： 智能手机的移动增强实境系统结构
数字相机：用来传递实际环境的数据，同时把拍到的画面展示在液晶触控面板上，现在最新款的手机都安装了500万或更高像素级别的感光元件。
中央处理器、移动设备管理平台、图形交互层以及编程辅助系统：这些构成智能终端的关键部分。当前市面上的新型智能终端普遍搭载主频达到一吉赫赫兹以上双核心的处理器单元，内置五百一十二兆字节容量的工作存储单元，并配备三十二吉字节容量的数据存储介质。开发应用时，界面和开发工具让程序员便捷地调用应用接口，获取图形、无线通讯、数据存储和传感器原始信息，无需了解这些功能背后的实现机制。
高灵敏度GPS接收设备或A-GPS技术或DGPS系统，在接收到有效卫星信号后，能够帮助确定使用者当前的经度与纬度坐标。长期以来，人们持续投入研究，致力于提升GPS接收器在室内环境以及密集高楼区域的信号接收能力与位置判断准确性，因为在这类环境中，卫星信号强度会减弱，并且容易产生多路径干扰误差。
无线数据传输接口涵盖GSM/GPRS、WiFi、蓝牙以及RFID技术，其核心功能是连接网络，查询目标位置的相关信息库，并在GPS无法定位或信号丢失的情况下，给予基础的定位参考。若建筑物内部配置了发射装置，其他近距离无线方式例如WLAN、蓝牙和RFID也能提供足够精确的室内位置判断。
本设备或网络信息库，用来把强化过的虚拟物体资料加到实际影像中，当物体与当前视角一致时，系统会从本地资料库或网络信息库中找出该物体的相关内容，接着用户能够按触控面板上的链接标记或图形符号，获得更全面的方位资料。
配备数字地图功能的液晶触控面板，能够呈现清晰细腻的交互界面，其上显示的是融合了虚拟物标数据的实景影像。借助数字地图，使用者可以明确自身所处的道路名称，无需借助任何特殊的立体眼镜。
MEMS传感器包括加速度计、磁力计、陀螺仪和压力传感器，属于自主式装置，能够持续运行。凭借经济实惠、体积极小、重量轻、能耗低以及性能优越等特点，这类半导体器件成为步行者位置推算场景下的理想选择。当它们与GPS接收设备配合使用时，无论在室内还是室外环境，都能帮助确定方向。这部分内容将研究这些装置在提升室内定位准确度方面所起的关键作用。
实时取得准确无误的地点数据，确保虚拟物体与实际环境相吻合，是移动叠加现实技术亟待解决的核心难题。
2. 室内方位检测
手机中虽装有GPS接收装置，室外定位效果良好，能在电子地图上标示方向，然而部分GPS设备在室内或密集建筑区域难以获取卫星信号，即便在室外，当车辆或行人静止不动时，GPS也无法提供准确的方位指引，更不能分辨细微的垂直位置差异。而且开yun体育官网入口登录app，仅有一个GPS天线，是无法为手机或汽车提供姿态数据的，比如俯仰角度、滚转角度和航向角度。
差分全球定位系统可以提供厘米级的定位精确度，不过它需要配备另一个GPS接收器作为基站，通过特定的距离粗捕获码向移动的GPS接收器发送参考位置数据。辅助全球定位系统能在一定程度上协助GPS获取室内定位数据，然而它无法在可接受的时间间隔内给出准确的定位结果。当手机用户保持不动时，至少需要三个GPS天线才有可能让GPS探测到用户的姿态情况，但是，现阶段在智能手机上安装多个GPS天线还不可行。
所以，单靠GPS的智能手机无法为用户准确显示位置和朝向。采用自定向的微型传感器，能够帮助GPS达成综合导航功能，并且适合用于室内外的地方服务。
天线若未被阻挡，当代GPS接收器的绝对定位能力介于三米至二十米之间，且该指标不会随时间推移而变化。采用MEMS传感器的组合导航系统（SINS）能够在极短时间内给出准确的定位数据，然而，依据运动感应器的运作水平，此类导航系统在运行一段时间后会迅速显现出精确度下降的状况。行人航位推算装置，通过分析步伐幅度和行进方向，能够推算出从室内指定起始点行走的相对位移，这种导航方式，其定位准确度不会随时间变化而降低，不过，在磁场干扰较强的环境下，必须确保方向测量的精确性，而且，全球定位系统，需要对接收到的步伐数据进行修正，才能获得令人满意的定位效果。
依据捷联式惯性导航系统（SINS）的原理，考虑到固有的误差偏差和比例系数，惯性测量单元（包括3轴加速度计与3轴陀螺仪）能够划分为三个主要等级：分别是导航型、战术型和民用型。借助后文所列的两个公式［1］，可以求得独立的加速度计和陀螺仪在水平方向上的定位偏差。
加速度计的位置误差：
（1）
其中：
ACC_bias… 表示加速度计长期误差的稳定性，数值以毫克为单位；重力加速度的标准值为九点八一米每平方秒
T … 双重积分周期，单位：秒
PE_ACC导致的空间偏差，由ACC_bias引起，数值以米计量。
陀螺仪的位置误差：
（2）
其中：
g … 地球重力，9.81m/s2
陀螺仪的长期漂移性能，以弧度每秒计量
T … 双重积分周期，单位：秒
PE_ACC和GYRO_bias导致的位置偏差，以米计量。
这两种数学公式能够用来评估常规惯性设备的运作效果，以及由长期偏差稳定性导致的地平线位置偏差，当惯性设备与全球定位系统联合使用时，这些偏差不会随着时间增加而加剧，其它会造成位置偏差的因素，例如信号错配、非线性现象和温度变化，也必须在计算时加以分析。
最新在微机电系统工艺领域的突破，使加速度感应器和角速度测量仪得以持续输出更优的定向数据，让民用产品在性能上逐渐向军用产品看齐。在短暂的时段例如一分钟之内，单独的加速度感应器和角速度测量仪能够获取比较理想的测量准确度。当全球定位系统信号受到干扰时，这对于全球定位系统与惯性导航系统组合的导航系统来说十分有益。
消费电子类产品中，室内行人航位推算系统允许5%的位移偏差，这种误差通常无需特别关注。比如，若某人行进100米，其定位偏差最好控制在5米之内。要实现这一目标，航向偏差必须维持在正负2度到正负5度之间。假如定位偏差为2度，当个体行进100米，那么实际偏离位置应当在3.5米之内 ［= 2*100m*sin（1度）］。
另外，MEMS气压感应元件能够检测海拔基准的绝对大气压强。据此，MEMS感应装置可以判定手机使用者位于海拔下探600米至海拔上攀9000米的高度范围，对GPS的高度数据采集提供支援［2］。图3描绘了将MEMS感应元件与GPS定位接收设备结合的行人位置推算系统构造示意图。
图 3： 移动设备行人航位推算系统结构图
3. MEMS传感器整合
传感器融合运用数字滤波方法，旨在弥补各个独立传感器的不足之处，进而生成精准且响应迅速的动态（倾斜/翻滚/偏航）姿态数据。该方法的任务在于，将所有传感器的测量值当作原始信息，通过数字滤波技术进行彼此补偿，最终获得高精度、高效率的动态姿态测量值。因此，航向和方位不会受到环境磁场的干扰，也不存在陀螺仪的零点偏差变化问题。
一种能够调整角度的方位指示器，包含三轴重力感应器与三轴地磁感应器，能够提供以地理北方为基准的方向数据，然而这种方向数据容易受到周围磁场的影响，假如配备一个三轴角速度传感器，设计一个九轴传感器融合方案，便可在任何状态下维持准确的方向数据
在构建一个包含众多MEMS传感器的系统时，必须清楚认识表格中所列各个MEMS传感器的长处与短处，这对于设计至关重要。
加速度计：在静止或者运动缓慢的情形下，能够用于修正倾斜度的数字罗盘；也能用于计步器的检测功能，判断步行者当前是处于静止状态还是运动状态。但是，当系统在三维空间中保持静止时，加速度计无法分辨真正的线性加速度和地球重力，并且容易受到震动和振荡的干扰。
陀螺仪能够持续输出载体坐标系到局部水平地球坐标系的转换矩阵，磁力计若遇干扰，陀螺仪能协助数字罗盘推算航向信息，长期存在零偏误差会造成姿态与位置的不准确，误差会不断累积。
磁力计能够测量以地球最北端为基准的精确行进方位，还可以用来调整陀螺仪的精确度开yunapp体育官网入口下载手机版，不过它的测量结果会受到周围磁场的影响。
压力感应装置，用于室内路径指引，能告知当前所在的楼层高度，同时协助全球定位系统进行高度测算；当全球定位系统信号减弱，该装置可提升定位的精确度，不过容易受到空气流动和气象条件的影响。
综合各项因素分析，卡尔曼滤波器是整合多种传感器数据的主流数学手段。该技术比较不同传感器的贡献，为效果最好的部分赋予最大权重，所以，与依赖单一渠道的导航方案相比，卡尔曼滤波算法得出的估计值更为精准可信 ［3］。
四元数扩展型卡尔曼滤波器是一种备受青睐的传感器融合方法，主要因为四元数的元素数量仅为四个开yun体育app入口登录，相比之下旋转矩阵则包含九个元素，而且四元数计算能够规避旋转矩阵所面临的特殊困难 ［3］。
4.结论
精准确定位置是发展先进移动应用时的一大难题，尤其是增强实境类应用，它们与行人航位推算技术或定位服务联系紧密。由于GPS信号在室内环境难以稳定接收，微型传感器技术便成为行人的室内导航优选方案，原因是这类传感器已普遍集成在多数手机之中。
要达成5%的室内行人位置估算偏差，必须研制MEMS传感器融合方案，用以补偿各传感器的不足，促使它们达成功能互补。随着MEMS传感器的性能持续增强，不久之后，无需用户参与的SINS/GPS组合导航系统将变为手机的基本配置。
