大氣壓與海拔高度的關係

個人導航儀中，MEMS壓力傳感器充當氣壓計用於測量海拔高度變化。因此，我們必須了解不同高度的大氣壓。

下麵是大氣壓測量單位：

psi – 磅/平方英寸

cm/Hg – 水銀柱高（厘米）

cm/Hg – 水銀柱高（英寸）

Pa – 帕

，國際製壓力單位 (SI) ，1Pa = 1 N/m2

bar – 巴
，氣壓單位，1 bar = 105Pa

mbar – 毫巴
，1mbar = 10-3 bar

我們居住在地球大氣層的底層
，大氣壓隨著海拔高度上升而降低。我們將在59 ℉時的29.92 in/Hg海平麵氣壓規定為標準大氣壓，這個平均值不受時間影響
，而受到測量點的地理位置、氣溫和氣流的影響。

1 個標準大氣壓 = 14.7 psi = 76 cm/Hg = 29.92 in/Hg = 1.01325 bar = 1013.25 mbar

可以用下麵的表達式表示大氣壓與海拔高度之間關係 [1]:

其中:P0 是標準大氣壓，等於1013.25 mbar;Altitude是以米為單位的海拔高度。P是在某一高度的以mbar為單位的氣壓
，圖1根據上麵的公式描述了大氣壓變化與海拔高度的關係。
如圖1所示

，當高度從海平麵上升到海拔11,000米高時，大氣壓從1013.25 mbar降到230 mbar。我們從圖中不難看出
，當高度低於 1,500米時
，大氣壓幾乎呈線性降低，每100米大約降低11.2 mbar，即每10米大約降低1.1 mbar。為(wei)了(le)取(qu)得(de)更(geng)精(jing)確(que)的(de)高(gao)度(du)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)，可(ke)以(yi)在(zai)目(mu)標(biao)應(ying)用(yong)中(zhong)構(gou)建(jian)一(yi)個(ge)大(da)氣(qi)壓(ya)高(gao)度(du)查(zha)詢(xun)表(biao)，根(gen)據(ju)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)

，確(que)定(ding)對(dui)應(ying)的(de)海(hai)拔(ba)高(gao)度(du)。

如果使用全量程為300 mbar到1100 mbar的絕對MEMS壓力傳感器，測量高度可達海拔9,165米到海平麵以下698米。

 
圖 1: 大氣壓與海拔高度的關係

利用MEMS傳感器確定樓層

0.1 mbar rms的測量分辨率使MEMS壓力傳感器能夠發現在1米以內高度變化。因此，在高層建築內
，可以使用壓力傳感器發現樓層變化。

圖2所示是在意法半導體的意大利Castelletto寫字樓內采集到的壓力傳感器數據。采樣速率是7Hz，數據采集時間總計大約23分鍾。從圖中我們可以清晰地看到大氣壓在不同樓層的變化。大氣壓在地下室最高。隨著樓層升高
，大氣壓逐漸降低。

圖3所示是意法半導體的一個MEMS壓力傳感器，這是一個采用3 x 5 x 1mm LGA-8封裝的數字輸出壓力傳感器，內置I2C/SPI接口和16位數據輸出。量程是300 mbar到1100 mbar，分辨率為0.1mbar。該芯片還內置溫度傳感器。芯片內部控製寄存器可以指示測量結果是高於還是低於壓力極限預設值。

壓力傳感器的測量精度會受到氣流和天氣條件的影響。為了取得精確

、可靠的樓層測量結果，需要為壓力傳感器開發校準和濾波算法。

 
圖 2:從意法半導體傳感器原始數據取得的樓層檢測結果

 
圖 3:意法半導體的MEMS壓力傳感器

在個人導航儀中使用MEMS壓力傳感器

在當前市麵上銷售的智能手機中，大多數都內置了GPS接收器和低成本的MEMS運動傳感器，例如，加速度計、陀螺儀和/或磁力計。在沒有GPS衛星信號的建築物內或GPS信號很弱的高樓林立的大都市內，個人導航或航位推測對於導航變得非常重要。鑒於GPS接收器在戶內戶外測量高度都不夠精確
，在智能手機內集成壓力傳感器可以輔助GPS測量高度。

[page]
個人導航係統（PNS）與個人航位推測（PDR）係統相似。從基本原理看
，當無法獲得GPS衛星信號時，PNS或PDR可以在智能手機的電子地圖上繼續提供方位和前進信息
，引導用戶到達興趣點，獲得位置關聯服務(LBS)。

前進信息可以來自磁力計或陀螺儀或兩者的模組。PNS是利用慣性導航原理（INS）對加速度計的測量值進行雙重積分求解決方位信息
，而PDRshijibuqihebuchanggusuanqigenjudianxingjibuqiyuanlijisuanjiasudujitigongdeceliangshujuerhuodedefangweixinxi。zaiyidingshijianneihuodeqianjinfangxianghexingjinluchengdexinxihou，daohangxitongzaizhinengshoujidedianziditushanggengxinxingrenzaihuneidefangwei。

PNS或 PDR結構示意圖

圖4所示是PNS或PDR的結構示意圖。從傳感器角度看，該係統包括一個3軸加速度計、一個3軸陀螺儀、一個3軸磁力計和一個壓力傳感器。此外，在這個示意圖內還有一個GPS接收器和一個主處理器。主處理器用於采集傳感器數據，運行航位推測算法和卡爾曼濾波算法

 
圖 4:PNS或 PDR結構示意圖

圖4中每個組件的優缺點歸納如下：

GPS接收器:

優點：GPS可以提供進入建築物前的初始方位
；檢索地球偏轉角信息，根據地理前進方向修正磁力計前進方向；當GPS信號增強時校準計數器步長；分別向慣性導航係統的鬆耦合和緊耦合卡爾曼濾波算法提供有界的精確方位信息（經緯度）輸出和偽距原始測量輸出。

缺點：當行人保持靜止時
，GPS無法確定前進方向；無法檢測高度（海拔高度）的細微變化。

加速度計:

優點：在靜態或慢速運動狀態下可用於傾斜度修正型數字羅盤；在線性加速度狀態下可用於計步器的檢測功能；用於檢測步行人當前的狀態是靜止還是運動。

缺點：當智能手機旋轉時，無法從地球重力組分中區別真正的線性加速度；對震動和振蕩過於敏感

陀螺儀:

優點：能夠向慣性導航係統連續提供旋轉矩陣；當磁力計受到幹擾時，輔助數字羅盤計算前進方向信息

缺點：長時間的零偏漂移導致無限的INS定位錯誤。

磁力計:

優點：能夠根據地磁北極計算精確的前進方向
；能夠用於校準陀螺儀的靈敏度。

缺點：容易受到環境磁場幹擾

壓力傳感器:

優點：在室內導航應用中可區分樓層
；當GPS衛星信號較弱時，可輔助GPS計算高度
，提高定位精確度
；

缺點：容易受到氣流和天氣狀況的影響。

PNS或PDR的實現方式

有兩種方法可以在智能手機上實現PNS或PDR導航。第一種方法是利用捷聯式慣性導航係統(SINS)實現PNS；第二種方法是利用計步器方法實現PDR。這兩種方法都有各自的優點和缺點。

捷聯慣導係統是基於一個3軸加速度計和一個3軸陀螺儀的6自由度(DOF)慣(guan)性(xing)測(ce)量(liang)單(dan)元(yuan)。捷(jie)聯(lian)慣(guan)導(dao)係(xi)統(tong)被(bei)成(cheng)功(gong)用(yong)於(yu)外(wai)殼(ke)剛(gang)性(xing)很(hen)強(qiang)的(de)設(she)備(bei)內(nei)，例(li)如(ru)，慣(guan)性(xing)測(ce)量(liang)單(dan)元(yuan)被(bei)永(yong)久(jiu)性(xing)安(an)裝(zhuang)在(zai)汽(qi)車(che)和(he)導(dao)彈(dan)內(nei)。該(gai)係(xi)統(tong)在(zai)短(duan)時(shi)間(jian)內(nei)的(de)定(ding)位(wei)精(jing)度(du)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)。因(yin)為(wei)低(di)成(cheng)本(ben)MEMS運動傳感器的零偏漂移問題
，當沒有GPS衛(wei)星(xing)信(xin)號(hao)時(shi)，經(jing)過(guo)積(ji)分(fen)和(he)二(er)重(zhong)積(ji)分(fen)運(yun)算(suan)後(hou)，定(ding)位(wei)誤(wu)差(cha)會(hui)隨(sui)時(shi)間(jian)推(tui)移(yi)而(er)變(bian)大(da)。此(ci)外(wai)
，行(xing)人(ren)通(tong)常(chang)把(ba)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)放(fang)在(zai)衣(yi)袋(dai)或(huo)掛(gua)在(zai)腰(yao)帶(dai)上(shang)
，他(ta)們(men)隨(sui)時(shi)都(dou)會(hui)從(cong)衣(yi)袋(dai)裏(li)或(huo)腰(yao)帶(dai)上(shang)取(qu)出(chu)手(shou)機(ji)查(zha)看(kan)當(dang)前(qian)所(suo)在(zai)方(fang)位(wei)。這(zhe)就(jiu)是(shi)說(shuo)，智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)與(yu)用(yong)戶(hu)身(shen)體(ti)的(de)相(xiang)對(dui)位(wei)置(zhi)不(bu)固(gu)定(ding)。

不過，SINS/GPS集成化PNS係統的優點是定位與用戶無關
，這就是說，所有用戶無需給智能手機建模或訓練智能手機，以適應不同類型的行人的動作，例如，步行、跑步和上下樓梯等。

計步器/GPS集成化PDR係統的優點是定位精度主要取決於加速度計計步和GPS步長估算，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]。這個過程的基本原理是，智能手機在行人的腰帶後部無論如何放置

，都能自動發現垂直主軸；然ran後hou，將jiang加jia速su度du測ce量liang數shu據ju與yu第di一yi個ge參can考kao閾yu值zhi對dui比bi，隨sui後hou，參can考kao閾yu值zhi將jiang根gen據ju不bu同tong的de運yun動dong類lei型xing自zi動dong更geng新xin。因yin此ci，加jia速su度du計ji可ke以yi準zhun確que計ji算suan行xing人ren步bu行xing
、跑步和上下樓梯時的步數。

第二步是當GPS信號很強時校準步長。智能手機計算行人的平均步長的方法是，用從GPS開始測量起經過的距離除以上麵的計步器算法得出的步數。步行人的所有的運動類型
，例如，慢走、快走
、慢跑
、快跑、上下樓梯等
，都需要執行步長校準步驟。不同的行人有不同的運動方式。因此，PDR與用戶有關，所有的步行人都需要一個自動校準或自我訓練的步長估算算法。

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信息。在估算完步長後
，求解航位推測應用的另一個關鍵參數：yidiqiubeijiweicankaodiandejueduiqianjinfangxiang。zaiyigewucichangganraodehuanjingnei
，jiasudujihecilijiceliangjieguochanshengdeqingxieduxiuzhengdeshuziluopannenggoutigongyidiqiubeijiweicanzhaodiandejingquedeqianjinfangxiang。

在進入建築物前，GPSdingweixinxinenggougenjuweizhijiansuoqingxiejiao
，ranhou
，baluopantigongdeqianjinfangxiangshujuzhuanhuachengdiliqianjinfangxiangxinxi。ruguozhouweihuanjingmeiyouganraocichang，keyiliyongcilijideceliangshuzhitiquqianjinfangxiangxinxi。ruguofaxianganraocichang，tuoluoyijiangjieticilijidegongzuo，zaishangyiciwuganraodeluopanqianjinxinhaoshuchujichushangtigonglianxudeqianjinxinxishuchu。

一yi旦dan發fa現xian外wai界jie磁ci場chang幹gan擾rao消xiao失shi，陀tuo螺luo儀yi將jiang立li即ji停ting止zhi運yun行xing，羅luo盤pan將jiang接jie替ti陀tuo螺luo儀yi恢hui複fu運yun轉zhuan。這zhe個ge過guo程cheng被bei稱cheng之zhi為wei陀tuo螺luo儀yi輔fu助zhu數shu字zi羅luo盤pan。當dang智zhi能neng手shou機ji是shi靜jing止zhi狀zhuang態tai時shi，加jia速su度du計ji就jiu會hui讓rang陀tuo螺luo儀yi定ding期qi更geng新xin零ling角jiao速su率lv電dian平ping以yi備bei將jiang來lai使shi用yong。

第四步是從壓力傳感器和GPS接(jie)收(shou)器(qi)獲(huo)得(de)精(jing)確(que)的(de)高(gao)度(du)信(xin)息(xi)。當(dang)行(xing)人(ren)在(zai)購(gou)物(wu)中(zhong)心(xin)乘(cheng)坐(zuo)電(dian)梯(ti)或(huo)登(deng)樓(lou)梯(ti)時(shi)
，壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)會(hui)更(geng)新(xin)數(shu)字(zi)地(di)圖(tu)，顯(xian)示(shi)行(xing)人(ren)當(dang)前(qian)所(suo)在(zai)樓(lou)層(ceng)。壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)還(hai)能(neng)利(li)用(yong)卡(ka)爾(er)曼(man)濾(lv)波(bo)器(qi)濾(lv)除(chu)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)Z軸漂移。

第五步是開發卡爾曼濾波算法，合並10-D傳感器模組數據與GPS數據。所有的GPS接收器都有1個PPS (脈衝/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
，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

，則使用航位推測算法輸出的數據。當GPS信號恢複時，該濾波器還能估算需要修正的傳感器誤差。

最後一步是在智能手機上測試PDR的性能。對於消費電子產品，5%的行進距離誤差通常是可以接受的。例如，當一個人在室內走過100米的距離時，定位誤差應該在5米範圍內。

結論

MEMS技術和製程的發展進步產生了低成本
、高性能的MEMS加速度計、陀螺儀和壓力傳感器。隨著尺寸越來越小，功耗越來越低，這些產品開始在智能手機等手持產品上演繹令人震撼的新功能。

在無人駕駛飛行器（UAV）導航係統和室內PDR應用方麵，MEMS壓力傳感器正在引起業界的強烈關注。隨著先進濾波算法研發的深入，在室內實現5%的距離誤差是切合實際的。