中心議題：

• MEMS傳感器在先進移動應用中的作用
• MEMS傳感器增強實境
• MEMS用於室內方位檢測
• MEMS傳感器整合

MEMS傳感器包括加速度計(ACC)、陀螺儀(GYRO)
、磁力計(MAG)、壓力傳感器(PS)和話筒(MIC)。因為低成本，小尺寸，低功耗，高性能，MEMS傳感器近幾年來被集成到便攜設備內。

快速的CPU、多任務處理的操作係統
、高靈敏度GPS接收器
、3G / 4G無線通信芯片組、高分辨率數字攝像頭、觸摸屏LCD顯示屏和大容量存儲器是智能手機的共同特性。MEMS傳感器的用途不再局限於當前的應用領域，例如，屏幕旋轉

、省電、運動檢測
、數字羅盤和3D遊戲。目前導航廠商正在開發更先進的MEMS傳感器應用，例如
，增強實境(AR)
、定位服務(LBS)、行人航位推算係統(PDR)。 

本文將論述MEMS傳感器在先進移動應用中的作用，例如
，移動增強實境（MAR）、定位服務（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。

1. 增強實境

增強實境(AR)不是一個新話題。根據定義，增強實境是在一個實時顯示的真實環境上疊加圖形、聲音和其它感知強化技術並使其具有互動性和可操縱性的功能或用戶界麵。在一個真實環境內融合3D虛擬信息有助於提高用戶對虛擬目標周圍環境的真實感。

最(zui)近(jin)增(zeng)強(qiang)實(shi)境(jing)技(ji)術(shu)出(chu)現(xian)了(le)幾(ji)個(ge)成(cheng)功(gong)的(de)應(ying)用(yong)案(an)例(li)。例(li)如(ru)，汽(qi)車(che)安(an)全(quan)設(she)備(bei)把(ba)路(lu)況(kuang)和(he)汽(qi)車(che)周(zhou)圍(wei)情(qing)況(kuang)的(de)信(xin)息(xi)投(tou)射(she)到(dao)前(qian)檔(dang)風(feng)玻(bo)璃(li)上(shang)，讓(rang)駕(jia)駛(shi)員(yuan)對(dui)汽(qi)車(che)所(suo)在(zai)位(wei)置(zhi)有(you)一(yi)個(ge)全(quan)麵(mian)了(le)解(jie)。另(ling)一(yi)個(ge)應(ying)用(yong)示(shi)例(li)是(shi)把(ba)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)對(dui)準(zhun)一(yi)個(ge)方(fang)位(wei)已(yi)知(zhi)的(de)目(mu)標(biao)，例(li)如(ru)飯(fan)店(dian)或(huo)超(chao)市(shi)，手(shou)機(ji)就(jiu)會(hui)顯(xian)示(shi)所(suo)指(zhi)目(mu)標(biao)的(de)信(xin)息(xi)。此(ci)外(wai)
，如(ru)果(guo)你(ni)身(shen)處(chu)一(yi)個(ge)陌(mo)生(sheng)的(de)大(da)城(cheng)市(shi)
，這(zhe)個(ge)功(gong)能(neng)還(hai)能(neng)幫(bang)助(zhu)你(ni)找(zhao)到(dao)最(zui)近(jin)的(de)地(di)鐵(tie)站(zhan)，隻(zhi)要(yao)把(ba)手(shou)機(ji)旋(xuan)轉(zhuan)360度，即可鎖定地鐵路線，沿所指方向到達目的地。

社she交jiao網wang絡luo在zai現xian代dai人ren的de生sheng活huo中zhong扮ban演yan著zhe重zhong要yao作zuo用yong。當dang一yi個ge人ren接jie近jin一yi個ge購gou物wu中zhong心xin時shi，他ta可ke以yi用yong手shou機ji指zhi向xiang購gou物wu中zhong心xin。然ran後hou，他ta的de朋peng友you將jiang會hui收shou到dao經jing過guo數shu字zi處chu理li技ji術shu強qiang化hua的de他ta所suo在zai位wei置zhi和he周zhou邊bian環huan境jing的de虛xu擬ni信xin息xi。反fan之zhi亦yi然ran
，他ta也ye會hui收shou到dao他ta朋peng友you的de方fang位wei和he周zhou邊bian信xin息xi。因yin此ci
，增zeng強qiang實shi境jing是shi一yi種zhong改gai變bian人ren們men對dui真zhen實shi世shi界jie的de感gan覺jiao的de新xin方fang式shi。

由於智能手機市場高速增長
，移動設備開始興起增強實境應用。圖1所示是在智能手機內實現移動增強實境所需的關鍵組件。

圖 1：智能手機的移動增強實境係統結構

•數字攝像頭：用於傳送真實世界環境的信息流，並在液晶觸摸屏上顯示捕獲的視頻。目前新款智能手機上已配備500萬像素或更高分辨率的成像傳感器。
•CPU、手機操作係統
、用戶界麵和軟件開發工具：這些是智能手機的核心組件。現在新的智能手機配備1GHz以上的雙核CPU、512MB RAM內存和32GB存儲器。在應用開發過程中，用戶界麵和軟件開發工具（SDK）讓開發人員輕鬆地調用應用程序接口
，訪問圖形、無線通信功能


、數據庫和MEMS傳感器原始數據，無需知道這些代碼背後的詳細原理。
•高靈敏度GPS接收器或A-GPS或DGPS：當捕獲到有效的衛星信號時

，這些模塊用於確定用戶當前的經緯度位置。多年來人們一直在研究提高GPS接收機在室內和高樓林立的地區的接收靈敏度和定位精度
，因為在這類地區衛星信號變弱，並發生多信道幹擾錯誤。
•無線數據傳輸接口，包括GSM/GPRS、WiFi、藍牙和RFID:無線數據接口的主要目的是接入互聯網
，檢索當前位置目標的在線數據庫

，在等待GPS定位或沒有GPS信號時提供簡要的定位信息。如果建築物內預裝了發射器
，其它的近距離無線連接如WLAN
、藍牙和RFID也可以提供精度適當的室內定位信息。
•本機或在線數據庫：用yong於yu把ba增zeng強qiang的de虛xu擬ni目mu標biao信xin息xi疊die加jia到dao真zhen實shi世shi界jie視shi頻pin上shang。當dang目mu標biao與yu當dang前qian方fang位wei吻wen合he時shi，係xi統tong將jiang能neng從cong本ben機ji數shu據ju庫ku或huo在zai線xian數shu據ju庫ku檢jian索suo目mu標biao的de信xin息xi。然ran後hou用yong戶hu可ke以yi點dian擊ji觸chu摸mo屏ping上shang的de超chao級ji鏈lian接jie或huo圖tu標biao，接jie收shou更geng加jia詳xiang細xi的de方fang位wei信xin息xi。
•內置數字地圖的液晶觸摸屏：提(ti)供(gong)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)用(yong)戶(hu)界(jie)麵(mian)

，顯(xian)示(shi)含(han)有(you)虛(xu)擬(ni)目(mu)標(biao)信(xin)息(xi)的(de)真(zhen)實(shi)世(shi)界(jie)的(de)視(shi)頻(pin)。有(you)了(le)數(shu)字(zi)地(di)圖(tu)，用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)知(zhi)道(dao)當(dang)前(qian)位(wei)置(zhi)所(suo)在(zai)街(jie)道(dao)名(ming)稱(cheng)，無(wu)需(xu)配(pei)戴(dai)任(ren)何(he)特(te)殊(shu)的(de)3D眼鏡。
•MEMS傳感器(加速度計、磁力計
、陀螺儀和壓力傳感器)：這些傳感器是自導式組件，隨時隨地工作。因為低成本、小尺寸、輕量、低功耗、高性能，它們成為行人航位推算應用的首選半導體產品。這些傳感器與GPS接收器集成在一起可以在室內外獲得方位信息。下麵的內容將探討這些傳感器在提高室內導航精度中所扮演的重要角色。
隨時隨地獲取精確且可靠的方位信息，使虛擬目標與真實世界的環境保持一致，是移動增強實境應用麵臨的主要挑戰。
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2. 室內方位檢測

盡管智能手機內置一個GPS接收器，在戶外的定位功能非常不錯

，在數字地圖上顯示航向，但是，某些GPS接收機在室內或高樓林立的城區無法接收衛星定位信號。即便在戶外，當汽車或行人靜止時
，GPS也無法提供精確的方位或航向信息。GPS無法區分微小的高度變化。此外，GPS僅憑一個天線無法為手機或汽車用戶提供姿態信息，例如，俯仰/滾轉/航向信息。

差分全球定位係統 (DGPS)能夠取得幾厘米的定位精度
；但是需要另一個GPS接收器做基站，使用某一種距離粗捕獲碼向移動GPS接收器發射參考位置信息。輔助全球定位係統 (A-GPS)在某種程度上有助於GPS獲得室內定位信息，但是，無法在可以接受的間隔內提供精確的定位信息。當手機用戶靜止時
，至少需要三個GPS天線才可能讓GPS檢測到用戶的姿態信息。不過
，目前在一個智能手機上安裝多個GPS天線還是行不通的。

因此，僅有GPS的智能手機不能為手機用戶提供精確的方位和姿態信息。自導式MEMS傳感器是協助GPS實現一體化導航係統、提供室內外LBS定位服務的理想選擇。

當天線沒有被遮擋時，現代的GPS接收器的絕對定位精度是3米到20米
，這個參數不會在一段時期後發生漂移。基於MEMS傳感器的捷聯式慣性導航係統(SINS) 可(ke)在(zai)很(hen)短(duan)的(de)時(shi)間(jian)內(nei)提(ti)供(gong)精(jing)確(que)的(de)定(ding)位(wei)信(xin)息(xi)，但(dan)是(shi)，根(gen)據(ju)運(yun)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)
，這(zhe)種(zhong)導(dao)航(hang)係(xi)統(tong)在(zai)使(shi)用(yong)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)後(hou)很(hen)快(kuai)就(jiu)會(hui)發(fa)生(sheng)精(jing)度(du)漂(piao)移(yi)現(xian)象(xiang)。行(xing)人(ren)航(hang)位(wei)推(tui)算(suan)係(xi)統(tong)（PDR）是shi一yi個ge根gen據ju步bu長chang和he方fang位wei計ji算suan從cong室shi內nei已yi知zhi初chu始shi位wei置zhi開kai始shi的de行xing走zou距ju離li的de相xiang對dui導dao航hang係xi統tong，雖sui然ran定ding位wei精jing度du不bu會hui隨sui時shi間jian推tui移yi而er發fa生sheng漂piao移yi，但dan是shi需xu要yao在zai受shou磁ci力li幹gan擾rao的de環huan境jing內nei保bao持chi航hang向xiang精jing度du
，此ci外wai，GPS需要對步長進行校準，才能達到可以接受的定位精度。

按照捷聯式慣性導航係統(SINS)理論，根據內在的偏差漂移和比例因數，慣性傳感器(3軸加速度計和3軸陀螺儀)可分為三大類：導航級、戰術級和商用級。通過下麵的兩個方程式，可以計算出獨立的加速度計和陀螺儀的水平位置誤差。  

加速度計的位置誤差：
                                               (1)
其中
，ACC_bias：加速度計長期偏差穩定性，單位：mg；g = 9.81m/s²
；T：雙重積分周期，單位：秒

；PE_ACC： ACC_bias造成的位置誤差；單位：米。

陀螺儀的位置誤差:
                                              (2)
其中，g ：地球重力，9.81m/s²；GYRO_bias：陀螺儀長期偏差穩定性
，單位：rad/s

；T：雙重積分周期，單位：秒；PE_ACC：GYRO_bias造成的位置誤差；單位：米。

以上兩個方程式可用於計算典型慣性傳感器的性能和長期偏差穩定性引起的水平位置誤差。當慣性傳感器與GPS集成在一起時
，這些誤差不會隨時間推移而擴大，其它引起位置誤差的因素，如失匹、非線性和溫度影響
，也應在計算中給予考慮。

最近在MEMS製程上取得的進步讓 MEMS加速度計和陀螺儀能夠連續地提供更高的定位性能，使商用級的產品更加接近戰術級產品的性能。在較短的時間如1分鍾內，獨立的加速度計和陀螺儀可取得相對較高的測量精度。當GPS信號受阻時
，這對於GPS/SINS一體化導航係統很有用。

對於消費電子產品，室內行人航位推算係統5%的行進距離誤差通常是可以接受的。例如
，當一個人走過100米的距離時，定位誤差應該在5米範圍內。這要求航向誤差在 ±2°到±5°之間[2]。例如
，如果航位誤差是2°，當一個人走過100米的距離時，定位誤差應該在3.5米範圍內 [= 2*100m*sin(2°/2)]。

此外，MEMS壓力傳感器能夠測量相對於海平麵的絕對氣壓。因此，MEMS傳感器可以確定手機用戶在海平麵以下 600米到海平麵以上 9000米之間的高度

，輔助GPS的高度測量。圖2所示是利用MEMS傳感器與GPS接收器的行人航位推算係統結構圖。

圖 2:    移動設備行人航位推算係統結構圖

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3. MEMS傳感器整合

傳感器整合是一套數字濾波算法，用於修正每個獨立傳感器的缺陷，然後輸出精確的響應快速的動態的（俯仰/滾轉/偏航）zitaiceliangjieguo。chuanganqizhenghedemudeshibameigechuanganqideceliangshujuzuoweishurushuju，ranhouyingyongshuziguolvsuanfaduishurushujujinxingxianghuxiuzheng


，zuihoushuchujingquedexiangyingkuaisudedongtaidezitaiceliangjieguo。yinci，hangxianghuofangweibushouhuanjingciganraodeyingxiang
，meiyoutuoluoyidelingpianpiaoyiwenti。

能夠修正傾斜度的數字羅盤是由一個3軸加速度計和一個3軸磁力計組成，可提供以地球北極為參考的航向信息。但是這個航向信息容易受到環境磁力的幹擾。如果安裝一個3軸陀螺儀，開發一個9軸傳感器整合解決方案，則可以隨時隨地保持精確的航向信息。

在設計一個使用多個MEMS傳感器的係統時，了解下表所列的每個MEMS傳感器的優缺點是很重要的。
•加速度計:在靜態或慢速運動狀態下可用於傾斜度修正型數字羅盤；可用於計步器的檢測功能，檢測步行人當前的狀態是靜止還是運動。不過
，當係統在3D空間靜止時，加速度計無法區分真正的線性加速度與地球重力
，而且容易受到震動和振蕩的影響。
•陀螺儀:可ke以yi連lian續xu提ti供gong從cong係xi統tong載zai體ti坐zuo標biao到dao局ju部bu地di球qiu水shui平ping坐zuo標biao的de旋xuan轉zhuan矩ju陣zhen，當dang磁ci力li計ji受shou到dao幹gan擾rao時shi，陀tuo螺luo儀yi可ke輔fu助zhu數shu字zi羅luo盤pan計ji算suan航hang向xiang數shu據ju。長chang時shi間jian的de零ling偏pian漂piao移yi導dao致zhi無wu限xian製zhi的de姿zi態tai和he定ding位wei錯cuo誤wu。
•磁力計:可計算以地球北極為參考方向的絕對航向
，並且可用於校準陀螺儀的靈敏度，但容量受到環境磁場的幹擾。
•壓力傳感器:在室內導航時，壓力傳感器可告訴你身處哪一樓層，輔助GPS計算高度；當GPS信號變弱時，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ji於yu以yi上shang各ge方fang麵mian考kao慮lv，卡ka爾er曼man濾lv波bo器qi是shi最zui常chang用yong的de整zheng合he不bu同tong的de傳chuan感gan器qi輸shu入ru信xin息xi的de數shu學xue方fang法fa。這zhe種zhong方fang法fa權quan衡heng不bu同tong的de傳chuan感gan器qi的de作zuo用yong，給gei性xing能neng最zui高gao的de方fang麵mian最zui高gao權quan數shu，因yin此ci，與yu基ji於yu單dan一yi媒mei介jie的de導dao航hang係xi統tong相xiang比bi，卡ka爾er曼man濾lv波bo器qi算suan法fa的de估gu算suan結jie果guo更geng精jing確que可ke靠kao。

目前基於四元數的擴展型卡爾曼濾波器(EKF)是一個很受歡迎的傳感器整合方案，因為四元數隻有4個元素
，而旋轉矩陣有9個元素

，此外，四元數法還避免了旋轉矩陣的特殊問題。

4. 結論

隨時隨地精確定位是增強實境等先進移動應用麵臨的主要挑戰，因為增強實境與行人航位推算（PDR）或定位服務（LBS）的關係密切。鑒於GPS接收器的接收限製，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
，需要開發MEMS傳感器整合算法
，以修正每個傳感器的缺陷，使這些傳感器實現優勢互補。隨著MEMS傳感器的性能不斷提高，在不遠的將來
，與用戶無關的SINS/GPS一體化導航係統將會成為智能手機的標準配置。