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，压力感应器和麦克风等类型。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手持装置当中。
高性能的中央处理器、能同时处理多项工作的操作系统、反应迅速的全球定位系统接收设备、支持3G或4G网络的无线通讯模块、像素密度高的数字影像捕捉装置、可触控操作的液晶显示面板以及存储空间充裕的存储单元是各类移动通信终端普遍具备的配置。微型机械电子传感器的功能现已超出传统用途范畴，诸如用来改变显示方向、帮助降低能耗、识别身体活动状态、提供方位指引以及支持立体游戏娱乐等。如今，各类导航企业正致力于研究更精密的MEMS传感器用途，诸如，强化现实（AR）、位置信息（LBS）、步行者位置推算机制（PDR）。
本文要说明MEMS感应器在高端手机用途上的功能，诸如，手机增强现实（MAR），定位功能（LBS），以及将航位推算技术运用到的MEMS感应器与GPS接收器联合应用。
1.增强实境
增强现实并非全新概念。所谓增强现实开元棋官方正版下载，就是将图形、声音等感官增强技术叠加在实时呈现的真实环境上，并赋予其互动性和可操作性的功能界面。在真实场景中融入三维虚拟信息，能够提升用户对虚拟对象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，汽车安全装置将道路状况和车辆周边环境的信息映现在挡风玻璃上，使驾驶员能够清晰掌握车辆所处位置。还有另一种应用场景，当智能手机对准一个已知的地点，比如餐馆或商场时，该设备便会展示出所指对象的详细信息。另外，若你身处一个不熟悉的繁华都市，这个功能也能协助你发现最近的地铁站点，只需将手机环绕一周，便能锁定地铁走向，朝着所示方向行进即可抵达终点。
社交网络在当代人的日常生活中占据着关键地位。当有人抵达一个商业中心时，他能够用个人终端设备对准该地点。紧接着，他的社交圈成员会收到经过技术手段加工的关于他当前所处位置以及周边景色的电子信号。同样的道理，他本人也会获取到他的社交伙伴的精确位置和周边状况的资讯。由此可见，强化现实技术提供了一种崭新的途径，用以调整人们对于现实环境的认知方式。
随着手机市场迅猛发展，便携式设备逐渐应用扩展现实技术，图1展示的是在个人数字设备上达成便携式扩展现实功能所必备的构成要素。
图 1： 智能手机的移动增强实境系统结构
数字摄像头能够传递真实环境的影像数据，并在液晶触摸屏上呈现采集到的画面，现在最新款的智能手机都搭载了500万像素以上分辨率的感光元件。
中央处理器、移动设备管理系统、视觉交互模块以及编程辅助系统：这些是移动终端的关键构成部分。当前的新型移动终端通常搭载主频达到一吉赫兹以上双核心的中央处理器、512兆字节随机存取存储器以及三十二吉字节存储装置。开发应用时，界面和开发工具使程序员便捷地使用软件接口，能够读取图形、无线联络、数据存储和微型传感器信息，而无需理解这些功能的实现机制。
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，能够确定使用者当前的经纬度坐标。长期以来，人们持续探索如何提升GPS接收装置在室内环境以及高楼密集区域的接收能力与定位准确性，由于在这些地方卫星信号会变得微弱，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，这些接口的核心功能是连接网络，查询目标所在地的实时数据库，当GPS无法定位或信号缺失时，能够提供基础的定位参考。若建筑物内已配备发射装置，那么WLAN、蓝牙与RFID等近距离无线技术也能提供足够精确的室内位置信息。
本设备或网络存档：用于将强化过的虚拟物体资料加诸于实际影像之中。若目标与用户视角一致，系统即可从本地资料库或网络存档中调取目标的相关资讯。接着，使用者能够通过点触界面上的特定标记或图形，获取更为详尽的指向资讯。
配备数字地图功能的液晶触控屏，能够呈现细节丰富的用户交互界面，将包含虚拟物标数据的现实场景画面同步展示出来。借助数字地图，使用者可以明确自身所处的具体街道，无需借助任何特殊的立体眼镜设备。
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，能够持续不断地运行。这些传感器具备成本低廉、体积微小、重量轻、能耗低以及性能优越等特点，因此是用于行人位置推算的最佳半导体器件。它们与GPS接收设备结合使用时，无论是在室内还是室外环境下，都能提供方向数据。这些传感器在提升室内定位准确度方面具有关键作用，它们发挥着重要作用，有助于实现更精确的导航功能。
在任何地点都能获得准确且可信的定位数据，让虚拟物体与现实场景精准匹配，是移动叠加现实应用遇到的核心难题。
2. 室内方位检测
手机虽装有定位装置，室外导航效果尚可，电子地图能标示方向，但部分定位设备在室内或密集建筑群中，难以捕捉星体信号，即便在室外，若车辆或行人保持静止，也无法给出准确定位，更不能分辨细微的垂直落差。另外，仅有一个GPS天线，是无法向手机或汽车使用者通报其空间姿态的，比如倾斜角度、旋转方向以及朝向数据。
差分全球定位系统能够达到厘米级的定位准确度；不过它需要配备另一个GPS接收器作为基准站，通过特定的测距码向移动的GPS接收设备发送基准位置数据。辅助全球定位系统在一定程度上能够协助GPS获取室内位置数据；然而它不能在合理的频次范围内提供精确的定位结果。当手机使用者保持不动状态，至少要有三个GPS天线才能让GPS探测到使用者的体态数据，然而，现阶段在智能手机上设置多个GPS天线仍然不可行。
所以，只有GPS功能的手机无法为用户准确指出方向和姿态。自引导式MEMS传感器是帮助GPS达成综合导航系统、给予室内外位置服务的最佳选项。
当天线不受阻挡时，当代GPS接收器的绝对定位能力介于3米到20米之间，这一指标不会随时间推移而变化。依靠MEMS传感器的自主式惯性导航系统（SINS）能在极短时间内给出准确的定位数据，然而，该导航系统的精确度会依据运动传感器的特性，在使用过程中迅速出现偏差。行人航位推算系统，依据步伐长度和朝向，推算出从室内确定起始点行走的相对距离kaiyun.ccm，这种导航方式，定位准确度不会随时间变化而降低，然而，在磁力影响明显的环境中，必须维持方向测量的精确度，而且，全球定位系统，需要调整步伐长度，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，考虑到内部误差漂移与比例系数，惯性测量单元（包含3轴加速度计和3轴陀螺仪）被划分为三个主要等级：用于导航的、用于战术的以及用于商业的。利用后文所列的两个公式［1］，能够求出单独的加速度计和陀螺仪所导致的水平位置偏差。
加速度计的位置误差：
（1）
其中：
ACC_bias 表示加速度计长期偏差的稳定程度，数值以毫克为单位；重力加速度的标准值为九点八一米每二次方秒。
T … 双重积分周期，单位：秒
PE_ACC造成的位置偏差，ACC_bias导致该偏差，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
陀螺仪长期漂移的稳定性，以弧度每秒计量
T … 双重积分周期，单位：秒
PE_ACC和GYRO_bias导致定位偏差，该偏差以米为计量单位。
这两个公式能够用来评估常规惯性装置的功能表现，并且可以分析其长期偏差对水平方位偏差的影响程度。如果将惯性装置和GPS系统组合使用，那么这些偏差不会随着时间的流逝而加剧。同时，在计算过程中，还必须将其它可能造成位置偏差的因素纳入考量范围，例如信号失配现象、非线性效应以及环境温度变化等。
MEMS制造工艺的最新突破，使加速度感应器和角速度测量仪得以持续输出更优的导航数据，让民用设备越来越接近军用装备的水平。单次测量时，这类传感器能在短短一分钟内达成较高的精准度。一旦卫星定位信号中断，这种特性对卫星惯性导航系统的融合应用十分有益。
消费电子类产品中，行人室内定位系统允许存在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，其位置偏差最好控制在5米以内。要实现这样的精度，方位角偏差需维持在正负2度到正负5度之间。假设定位偏差为2度，当个体行进100米，那么定位偏差值应控制在3.5米之内 ［= 2*100m*sin（1度）］。
另外，MEMS气压感应元件能够检测地面基准的绝对大气压强。据此，MEMS感应设备可以判定移动设备使用者身处海拔负六百米至海拔九千米的高度范围，从而对GPS的高度数据提供补充信息［2］。图3描绘了采用MEMS感应装置与GPS定位接收器的行人位置推算系统构造方案。
图 3： 移动设备行人航位推算系统结构图
3. MEMS传感器整合
传感器综合运用数字滤波技术，旨在纠正各个传感器的误差，进而输出精准且实时的动态姿态数据，包括倾斜、翻滚和偏航等参数。该技术的核心在于将各传感器的测量值作为基础信息，通过数字过滤手段进行相互补偿，最终获得高精度、高响应速度的动态姿态数据。因此，航向和方位不受外界磁干扰的影响，而且没有陀螺仪的零点偏差变化问题。
修正偏转角度的定向工具包含一个三向线性加速度感应器与一个三向磁场感应器，能够依据地理北方提供方位指引。然而该方位指引易受周围磁场变化的影响。假如配备一个三向角速度感应器，研制出九向传感器综合应用方案，便可在任何场合维持准确的方位指引。
构思一个集成众多微型机械电子传感器的体系时，必须清楚掌握表格中所列各传感器的长处与短处。
加速度计，能够用于修正倾斜度的数字罗盘，在静态或缓慢移动时适用；也能用于计步器，判断步行者当前是静止还是活动状态。然而，当系统在三维空间保持不动时，加速度计无法分辨真实的线性加速度和地球引力，并且容易受到震动和振荡的干扰。
陀螺仪能够持续输出系统载体坐标转向局部地球水平坐标的旋转矩阵，当磁力计遭遇干扰时，陀螺仪能够协助数字罗盘推算航向信息，长时间的零偏误差会导致姿态和定位出现持续偏差。
磁力计能够依据地球北向标示方向，从而确定绝对航向，同时它还能帮助调整陀螺仪的精确度，不过它的测量结果会受到周围磁场变化的影响。
压力感应装置，用于室内定位时kaiyun全站登录网页入口，能指示当前楼层位置，并协助GPS确定高度；当GPS信号减弱时，该装置有助于提升定位的准确性，不过容易受到空气流动和气象条件的影响。
综合各种因素分析，卡尔曼滤波是当前最普遍的融合各类传感器数据的技术手段。该技术能够比较不同传感器的效能，对表现最好的部分赋予最大比重，所以，同仅依赖单一渠道的导航方案相比，卡尔曼滤波的计算成果更为精准可信 ［3］。
四元数扩展型卡尔曼滤波器是当前流行的传感器融合方法，由于四元数仅含四个分量，相比之下旋转矩阵则有九个分量，而且四元数计算还规避了旋转矩阵的特殊情形 ［3］。
4.结论
精确掌握所处位置是发展高级移动应用时的一大难题，特别是增强现实这类应用，它与行人航位推算技术或定位服务联系紧密。由于GPS信号接收存在局限，微型机电传感器在室内行人位置推算领域备受青睐，原因是这类传感器已广泛集成在多数手机之中。
达到5%的室内行人航位推算定位精度，必须研制MEMS传感器融合方案，用以补偿各个传感器的不足，促使它们产生协同效应。随着MEMS传感器性能持续增强，未来关联用户无关的SINS/GPS组合导航系统，极有可能成为移动设备的常规配置。
