作者：Jay Esfandyari¹, Massimo Mascotto, Gang Xu

¹意法半導(dǎo)體

摘要

     隨著MEMS傳感器的設(shè)計(jì)和制造工藝的進(jìn)步，MEMS壓力傳感器被廣泛用于醫(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(cè)血壓，汽車廠商利用氣壓傳感器優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)能效，提醒駕駛員輪胎氣壓不足。

    最近幾年，隨著MEMS壓力傳感器的性能不斷提高，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(shí)現(xiàn)航位推測(cè)和導(dǎo)航功能。 

    本文論述如何在個(gè)人導(dǎo)航儀內(nèi)利用MEMS壓力傳感器輔助GPS接收器測(cè)量海拔高度。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(jì)算海拔高度。第三部分介紹如何在一個(gè)個(gè)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(gè)人導(dǎo)航儀中，MEMS壓力傳感器充當(dāng)氣壓計(jì)用于測(cè)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(cè)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，國際制壓力單位(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(shí)的29.92 in/Hg海平面氣壓規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，這個(gè)平均值不受時(shí)間影響，而受到測(cè)量點(diǎn)的地理位置、氣溫和氣流的影響。

     因此，上述壓力單位之間的換算關(guān)系是:

       1 個(gè)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(shí)，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(shí)，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(cè)量數(shù)據(jù)，可以在目標(biāo)應(yīng)用中構(gòu)建一個(gè)大氣壓高度查詢表，根據(jù)壓力傳感器的測(cè)量結(jié)果，確定對(duì)應(yīng)的海拔高度。

        如果使用全量程為300 mbar到1100 mbar的絕對(duì)MEMS壓力傳感器，測(cè)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(cè)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(shí)間總計(jì)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(gè)MEMS壓力傳感器，這是一個(gè)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(cè)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(cè)量精度會(huì)受到氣流和天氣條件的影響。為了取得精確、可靠的樓層測(cè)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(cè)結(jié)果

圖3:       意法半導(dǎo)體的MEMS壓力傳感器

3.  在個(gè)人導(dǎo)航儀中使用MEMS壓力傳感器

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(dòng)傳感器，例如，加速度計(jì)、陀螺儀和/或磁力計(jì)。在沒有GPS衛(wèi)星信號(hào)的建筑物內(nèi)或GPS信號(hào)很弱的高樓林立的大都市內(nèi)，個(gè)人導(dǎo)航或航位推測(cè)對(duì)于導(dǎo)航變得非常重要。鑒于GPS接收器在戶內(nèi)戶外測(cè)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(cè)量高度。

個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)（PNS）與個(gè)人航位推測(cè)（PDR）系統(tǒng)相似。從基本原理看，當(dāng)無法獲得GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，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(jì)或陀螺儀或兩者的模組。PNS是利用慣性導(dǎo)航原理（INS）對(duì)加速度計(jì)的測(cè)量值進(jìn)行雙重積分求解決方位信息，而PDR是計(jì)步器和步長估算器根據(jù)典型計(jì)步器原理計(jì)算加速度計(jì)提供的測(cè)量數(shù)據(jù)而獲得的方位信息。在一定時(shí)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(gè)3軸加速度計(jì)、一個(gè)3軸陀螺儀、一個(gè)3軸磁力計(jì)和一個(gè)壓力傳感器。此外，在這個(gè)示意圖內(nèi)還有一個(gè)GPS接收器和一個(gè)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(cè)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(gè)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(jì)前進(jìn)方向；當(dāng)GPS信號(hào)增強(qiáng)時(shí)校準(zhǔn)計(jì)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(cè)量輸出。
  • 缺點(diǎn)：當(dāng)行人保持靜止時(shí)，GPS無法確定前進(jìn)方向；無法檢測(cè)高度（海拔高度）的細(xì)微變化。

• 加速度計(jì):
  • 優(yōu)點(diǎn)：在靜態(tài)或慢速運(yùn)動(dòng)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(jì)步器的檢測(cè)功能；用于檢測(cè)步行人當(dāng)前的狀態(tài)是靜止還是運(yùn)動(dòng)。
  • 缺點(diǎn)：當(dāng)智能手機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，無法從地球重力組分中區(qū)別真正的線性加速度；對(duì)震動(dòng)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(jì)受到干擾時(shí)，輔助數(shù)字羅盤計(jì)算前進(jìn)方向信息
  • 缺點(diǎn)：長時(shí)間的零偏漂移導(dǎo)致無限的INS定位錯(cuò)誤。

• 磁力計(jì):
  • 優(yōu)點(diǎn)：能夠根據(jù)地磁北極計(jì)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(chǎng)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(hào)較弱時(shí)，可輔助GPS計(jì)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(shí)現(xiàn)方式

      有兩種方法可以在智能手機(jī)上實(shí)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(shí)現(xiàn)PNS；第二種方法是利用計(jì)步器方法實(shí)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(gè)3軸加速度計(jì)和一個(gè)3軸陀螺儀的6自由度(DOF)慣性測(cè)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(cè)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(shí)間內(nèi)的定位精度相對(duì)較高。因?yàn)榈统杀綧EMS運(yùn)動(dòng)傳感器的零偏漂移問題，當(dāng)沒有GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，經(jīng)過積分和二重積分運(yùn)算后，定位誤差會(huì)隨時(shí)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(shí)都會(huì)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(duì)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(dòng)作，例如，步行、跑步和上下樓梯等。

    計(jì)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(jì)計(jì)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(jì)精確檢測(cè)腳步^[3]。這個(gè)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(dòng)發(fā)現(xiàn)垂直主軸；然后，將加速度測(cè)量數(shù)據(jù)與第一個(gè)參考閾值對(duì)比，隨后，參考閾值將根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)類型自動(dòng)更新。因此，加速度計(jì)可以準(zhǔn)確計(jì)算行人步行、跑步和上下樓梯時(shí)的步數(shù)。

    第二步是當(dāng)GPS信號(hào)很強(qiáng)時(shí)校準(zhǔn)步長。智能手機(jī)計(jì)算行人的平均步長的方法是，用從GPS開始測(cè)量起經(jīng)過的距離除以上面的計(jì)步器算法得出的步數(shù)。步行人的所有的運(yùn)動(dòng)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(dòng)方式。因此，PDR與用戶有關(guān)，所有的步行人都需要一個(gè)自動(dòng)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(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)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(cè)應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：以地球北極為參考點(diǎn)的絕對(duì)前進(jìn)方向。在一個(gè)無磁場(chǎng)干擾的環(huán)境內(nèi)，加速度計(jì)和磁力計(jì)測(cè)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(chǎng)，可以利用磁力計(jì)的測(cè)量數(shù)值提取前進(jìn)方向信息。如果發(fā)現(xiàn)干擾磁場(chǎng)，陀螺儀將接替磁力計(jì)的工作，在上一次無干擾的羅盤前進(jìn)信號(hào)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(chǎng)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(gè)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(shí)，加速度計(jì)就會(huì)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(shí)，壓力傳感器會(huì)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(jì)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(gè)PPS (脈沖/秒)輸出信號(hào)，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(hào)時(shí)，卡爾曼濾波器將使用GPS輸出數(shù)據(jù)計(jì)算導(dǎo)航信息；相反，當(dāng)GPS衛(wèi)星信號(hào)被屏蔽時(shí)，則使用航位推測(cè)算法輸出的數(shù)據(jù)。當(dāng)GPS信號(hào)恢復(fù)時(shí)，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(cè)試PDR的性能。對(duì)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(gè)人在室內(nèi)走過100米的距離時(shí)，定位誤差應(yīng)該在5米范圍內(nèi)。

4.  結(jié)論