MEMS壓力傳感器在個人導(dǎo)航儀中的使用

最近幾年，隨著MEMS傳感器的設(shè)計和制造工藝的不斷進(jìn)步，MEMS壓力傳感器的性能有了很大的提高，并且隨著成本和尺寸不斷降低，消費(fèi)電子廠商開始使用壓力傳感器與慣性傳感器和地磁傳感器模組實現(xiàn)航位推測和導(dǎo)航功能?，F(xiàn)如今，MEMS壓力傳感器已經(jīng)被廣泛用于醫(yī)療、汽車和消費(fèi)電子等應(yīng)用領(lǐng)域。例如，壓力傳感器可用于監(jiān)測血壓，汽車廠商利用氣壓傳感器優(yōu)化發(fā)動機(jī)能效，提醒駕駛員輪胎氣壓不足。

本文第一部分概述大氣壓與海拔高度的關(guān)系。第二部門描述如何使用壓力傳感器計算海拔高度。第三部分介紹如何在一個個人導(dǎo)航儀如智能手機(jī)內(nèi)集成壓力傳感器。

1.大氣壓與海拔高度的關(guān)系

在個人導(dǎo)航儀中，MEMS壓力傳感器充當(dāng)氣壓計用于測量海拔高度變化。因此，我們必須了解不同高度的大氣壓。

下面是大氣壓測量單位：

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海平面氣壓規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，這個平均值不受時間影響，而受到測量點(diǎn)的地理位置、氣溫和氣流的影響。

1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 = 14.7 psi = 76 cm/Hg = 29.92 in/Hg = 1.01325 bar = 1013.25 mbar

可以用下面的表達(dá)式表示大氣壓與海拔高度之間關(guān)系 ［1］：

其中：P0 是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，等于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(jù)上面的公式描述了大氣壓變化與海拔高度的關(guān)系。

如圖1所示，當(dāng)高度從海平面上升到海拔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(dāng)高度低于 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。為了取得更精確的高度測量數(shù)據(jù)，可以在目標(biāo)應(yīng)用中構(gòu)建一個大氣壓高度查詢表，根據(jù)壓力傳感器的測量結(jié)果，確定對應(yīng)的海拔高度。

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(dá)海拔9，165米到海平面以下698米。

圖1：大氣壓與海拔高度的關(guān)系

2. 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(fā)現(xiàn)在1米以內(nèi)高度變化。因此，在高層建筑內(nèi)，可以使用壓力傳感器發(fā)現(xiàn)樓層變化。

圖2所示是在意法半導(dǎo)體的意大利Castelletto寫字樓內(nèi)采集到的壓力傳感器數(shù)據(jù)。采樣速率是7Hz，數(shù)據(jù)采集時間總計大約23分鐘。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(dǎo)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(shù)字輸出壓力傳感器，內(nèi)置I2C/SPI接口和16位數(shù)據(jù)輸出。量程是300 mbar到1100 mbar，分辨率為0.1mbar。該芯片還內(nèi)置溫度傳感器。芯片內(nèi)部控制寄存器可以指示測量結(jié)果是高于還是低于壓力極限預(yù)設(shè)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(jié)果，需要為壓力傳感器開發(fā)校準(zhǔn)和濾波算法。

圖2：從意法半導(dǎo)體傳感器原始數(shù)據(jù)取得的樓層檢測結(jié)果

圖3：意法半導(dǎo)體的MEMS壓力傳感器

3.MEMS壓力傳感器在個人導(dǎo)航儀中的使用

在當(dāng)前市面上銷售的智能手機(jī)中，大多數(shù)都內(nèi)置了GPS接收器和低成本的MEMS運(yùn)動傳感器，例如，加速度計、陀螺儀和/或磁力計。在沒有GPS衛(wèi)星信號的建筑物內(nèi)或GPS信號很弱的高樓林立的大都市內(nèi)，個人導(dǎo)航或航位推測對于導(dǎo)航變得非常重要。鑒于GPS接收器在戶內(nèi)戶外測量高度都不夠精確，在智能手機(jī)內(nèi)集成壓力傳感器可以輔助GPS測量高度。

個人導(dǎo)航系統(tǒng)（PNS）與個人航位推測（PDR）系統(tǒng)相似。從基本原理看，當(dāng)無法獲得GPS衛(wèi)星信號時，PNS或PDR可以在智能手機(jī)的電子地圖上繼續(xù)提供方位和前進(jìn)信息，引導(dǎo)用戶到達(dá)興趣點(diǎn)，獲得位置關(guān)聯(lián)服務(wù)（LBS）。

前進(jìn)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(dǎo)航原理（INS）對加速度計的測量值進(jìn)行雙重積分求解決方位信息，而PDR是計步器和步長估算器根據(jù)典型計步器原理計算加速度計提供的測量數(shù)據(jù)而獲得的方位信息。在一定時間內(nèi)獲得前進(jìn)方向和行進(jìn)路程的信息后，導(dǎo)航系統(tǒng)在智能手機(jī)的電子地圖上更新行人在戶內(nèi)的方位。

3.1 PNS或 PDR結(jié)構(gòu)示意圖

圖4所示是PNS或PDR的結(jié)構(gòu)示意圖。從傳感器角度看，該系統(tǒng)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(nèi)還有一個GPS接收器和一個主處理器。主處理器用于采集傳感器數(shù)據(jù)，運(yùn)行航位推測算法和卡爾曼濾波算法

圖4：PNS或 PDR結(jié)構(gòu)示意圖

圖4中每個組件的優(yōu)缺點(diǎn)歸納如下：

GPS接收器：

優(yōu)點(diǎn)：GPS可以提供進(jìn)入建筑物前的初始方位；檢索地球偏轉(zhuǎn)角信息，根據(jù)地理前進(jìn)方向修正磁力計前進(jìn)方向；當(dāng)GPS信號增強(qiáng)時校準(zhǔn)計數(shù)器步長；分別向慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的松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(jīng)緯度）輸出和偽距原始測量輸出。

缺點(diǎn)：當(dāng)行人保持靜止時，GPS無法確定前進(jìn)方向；無法檢測高度（海拔高度）的細(xì)微變化。

加速度計：

優(yōu)點(diǎn)：在靜態(tài)或慢速運(yùn)動狀態(tài)下可用于傾斜度修正型數(shù)字羅盤；在線性加速度狀態(tài)下可用于計步器的檢測功能；用于檢測步行人當(dāng)前的狀態(tài)是靜止還是運(yùn)動。

缺點(diǎn)：當(dāng)智能手機(jī)旋轉(zhuǎn)時，無法從地球重力組分中區(qū)別真正的線性加速度；對震動和振蕩過于敏感

陀螺儀：

優(yōu)點(diǎn)：能夠向慣性導(dǎo)航系統(tǒng)連續(xù)提供旋轉(zhuǎn)矩陣；當(dāng)磁力計受到干擾時，輔助數(shù)字羅盤計算前進(jìn)方向信息

缺點(diǎn)：長時間的零偏漂移導(dǎo)致無限的INS定位錯誤。

磁力計：

優(yōu)點(diǎn)：能夠根據(jù)地磁北極計算精確的前進(jìn)方向；能夠用于校準(zhǔn)陀螺儀的靈敏度。

缺點(diǎn)：容易受到環(huán)境磁場干擾

壓力傳感器：

優(yōu)點(diǎn)：在室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用中可區(qū)分樓層；當(dāng)GPS衛(wèi)星信號較弱時，可輔助GPS計算高度，提高定位精確度；

缺點(diǎn)：容易受到氣流和天氣狀況的影響。

3.2 PNS或PDR的實現(xiàn)方式

有兩種方法可以在智能手機(jī)上實現(xiàn)PNS或PDR導(dǎo)航。第一種方法是利用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）實現(xiàn)PNS；第二種方法是利用計步器方法實現(xiàn)PDR。這兩種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是基于一個3軸加速度計和一個3軸陀螺儀的6自由度（DOF）慣性測量單元。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)被成功用于外殼剛性很強(qiáng)的設(shè)備內(nèi)，例如，慣性測量單元被永久性安裝在汽車和導(dǎo)彈內(nèi)。該系統(tǒng)在短時間內(nèi)的定位精度相對較高。因為低成本MEMS運(yùn)動傳感器的零偏漂移問題，當(dāng)沒有GPS衛(wèi)星信號時，經(jīng)過積分和二重積分運(yùn)算后，定位誤差會隨時間推移而變大。此外，行人通常把智能手機(jī)放在衣袋或掛在腰帶上，他們隨時都會從衣袋里或腰帶上取出手機(jī)查看當(dāng)前所在方位。這就是說，智能手機(jī)與用戶身體的相對位置不固定。

不過，SINS/GPS集成化PNS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是定位與用戶無關(guān)，這就是說，所有用戶無需給智能手機(jī)建?；蛴?xùn)練智能手機(jī)，以適應(yīng)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系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是定位精度主要取決于加速度計計步和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(jī)在行人的腰帶后部無論如何放置，都能自動發(fā)現(xiàn)垂直主軸；然后，將加速度測量數(shù)據(jù)與第一個參考閾值對比，隨后，參考閾值將根據(jù)不同的運(yùn)動類型自動更新。因此，加速度計可以準(zhǔn)確計算行人步行、跑步和上下樓梯時的步數(shù)。

第二步是當(dāng)GPS信號很強(qiáng)時校準(zhǔn)步長。智能手機(jī)計算行人的平均步長的方法是，用從GPS開始測量起經(jīng)過的距離除以上面的計步器算法得出的步數(shù)。步行人的所有的運(yùn)動類型，例如，慢走、快走、慢跑、快跑、上下樓梯等，都需要執(zhí)行步長校準(zhǔn)步驟。不同的行人有不同的運(yùn)動方式。因此，PDR與用戶有關(guān)，所有的步行人都需要一個自動校準(zhǔn)或自我訓(xùn)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(shù)據(jù)求解精確的前進(jìn)信息。在估算完步長后，求解航位推測應(yīng)用的另一個關(guān)鍵參數(shù)：以地球北極為參考點(diǎn)的絕對前進(jìn)方向。在一個無磁場干擾的環(huán)境內(nèi)，加速度計和磁力計測量結(jié)果產(chǎn)生的傾斜度修正的數(shù)字羅盤能夠提供以地球北極為參照點(diǎn)的精確的前進(jìn)方向。

在進(jìn)入建筑物前，GPS定位信息能夠根據(jù)位置檢索傾斜角，然后，把羅盤提供的前進(jìn)方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成地理前進(jìn)方向信息。如果周圍環(huán)境沒有干擾磁場，可以利用磁力計的測量數(shù)值提取前進(jìn)方向信息。如果發(fā)現(xiàn)干擾磁場，陀螺儀將接替磁力計的工作，在上一次無干擾的羅盤前進(jìn)信號輸出基礎(chǔ)上提供連續(xù)的前進(jìn)信息輸出。

一旦發(fā)現(xiàn)外界磁場干擾消失，陀螺儀將立即停止運(yùn)行，羅盤將接替陀螺儀恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這個過程被稱之為陀螺儀輔助數(shù)字羅盤。當(dāng)智能手機(jī)是靜止?fàn)顟B(tài)時，加速度計就會讓陀螺儀定期更新零角速率電平以備將來使用。

第四步是從壓力傳感器和GPS接收器獲得精確的高度信息。當(dāng)行人在購物中心乘坐電梯或登樓梯時，壓力傳感器會更新數(shù)字地圖，顯示行人當(dāng)前所在樓層。壓力傳感器還能利用卡爾曼濾波器濾除加速度計的Z軸漂移。

第五步是開發(fā)卡爾曼濾波算法，合并10-D傳感器模組數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)。所有的GPS接收器都有1個PPS （脈沖/秒）輸出信號，使GPS與傳感器的數(shù)據(jù)傳輸同步，傳感器的采樣速率可以更快，例如50Hz或100Hz。當(dāng)能夠收到GPS衛(wèi)星信號時，卡爾曼濾波器將使用GPS輸出數(shù)據(jù)計算導(dǎo)航信息；相反，當(dāng)GPS衛(wèi)星信號被屏蔽時，則使用航位推測算法輸出的數(shù)據(jù)。當(dāng)GPS信號恢復(fù)時，該濾波器還能估算需要修正的傳感器誤差。

最后一步是在智能手機(jī)上測試PDR的性能。對于消費(fèi)電子產(chǎn)品，5%的行進(jìn)距離誤差通常是可以接受的。例如，當(dāng)一個人在室內(nèi)走過100米的距離時，定位誤差應(yīng)該在5米范圍內(nèi)。

4.結(jié)論

MEMS技術(shù)和制程的發(fā)展進(jìn)步產(chǎn)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(chǎn)品開始在智能手機(jī)等手持產(chǎn)品上演繹令人震撼的新功能。

在無人駕駛飛行器（UAV）導(dǎo)航系統(tǒng)和室內(nèi)PDR應(yīng)用方面，MEMS壓力傳感器正在引起業(yè)界的強(qiáng)烈關(guān)注。隨著先進(jìn)濾波算法研發(fā)的深入，在室內(nèi)實現(xiàn)5%的距離誤差是切合實際的。