個人導(dǎo)航儀中的MEMS壓力傳感器
隨著MEMS傳感器的設(shè)計(jì)和制造工藝的進(jìn)步技蝌，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。例如牢酵，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)能效衙猪，提醒駕駛員輪胎氣壓不足馍乙。
最近幾年，隨著MEMS壓力傳感器的性能不斷提高垫释，成本和尺寸不斷降低丝格，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)航位推測和導(dǎo)航功能撑瞧。
本文論述如何在個人導(dǎo)航儀內(nèi)利用MEMS壓力傳感器輔助GPS接收器測量海拔高度。本文第一部分概述大氣壓與海拔高度的關(guān)系显蝌。第二部分描述如何使用壓力傳感器計(jì)算海拔高度预伺。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)航儀中惨浩，MEMS壓力傳感器充當(dāng)氣壓計(jì)用于測量海拔高度變化早斯。因此，我們必須了解不同高度的大氣壓赫窄。
我們居住在地球大氣層的底層阶桦，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)大氣壓臭脯，這個平均值不受時間影響蝉狭，而受到測量點(diǎn)的地理位置、氣溫和氣流的影響咳龄。
因此撞恰，壓力單位之間的換算關(guān)系是:
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: 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迎反。
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)系审服。
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米熬甚。
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)高度變化逢渔。因此，在高層建筑內(nèi)乡括，可以使用壓力傳感器發(fā)現(xiàn)樓層變化肃廓。
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诲泌，數(shù)據(jù)采集時間總計(jì)大約23分鐘官澳。從圖中我們可以清晰地看到大氣壓在不同樓層的變化尔兆。大氣壓在地下室最高。隨著樓層升高唯诞，大氣壓逐漸降低少迁。
3. 在個人導(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)中弓洒，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，例如律罢，加速度計(jì)膀值、陀螺儀和/或磁力計(jì)。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)误辑，個人導(dǎo)航或航位推測對于導(dǎo)航變得非常重要沧踏。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測量高度巾钉。
個人導(dǎo)航系統(tǒng)（PNS）與個人航位推測（PDR）系統(tǒng)相似翘狱。從基本原理看，當(dāng)無法獲得GPS衛(wèi)星信號時砰苍，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)信息潦匈，引導(dǎo)用戶到達(dá)興趣點(diǎn)，獲得位置關(guān)聯(lián)服務(wù)(LBS)师骗。
前進(jìn)信息可以來自磁力計(jì)或陀螺儀或兩者的模組历等。PNS是利用慣性導(dǎo)航原理（INS）對加速度計(jì)的測量值進(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)提供的測量數(shù)據(jù)而獲得的方位信息辟癌。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)的方位荐捻。
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)示意圖滩哥。從傳感器角度看，該系統(tǒng)包括一個3軸加速度計(jì)昨镊、一個3軸陀螺儀溃恼、一個3軸磁力計(jì)和一個壓力傳感器磅愤。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追粉。主處理器用于采集傳感器數(shù)據(jù)举库，運(yùn)行航位推測算法和卡爾曼濾波算法。
· 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短硼；檢索地球偏轉(zhuǎn)角信息翩性，根據(jù)地理前進(jìn)方向修正磁力計(jì)前進(jìn)方向；當(dāng)GPS信號增強(qiáng)時校準(zhǔn)計(jì)數(shù)器步長自幕；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稽徙。
缺點(diǎn)：當(dāng)行人保持靜止時，GPS無法確定前進(jìn)方向振袋；無法檢測高度（海拔高度）的細(xì)微變化很鸥。
· 加速度計(jì):
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(jì)步器的檢測功能珍语；用于檢測步行人當(dāng)前的狀態(tài)是靜止還是運(yùn)動锤岸。
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板乙；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)矩陣是偷；當(dāng)磁力計(jì)受到干擾時，輔助數(shù)字羅盤計(jì)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定位錯誤亡驰。
· 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)方向晓猛；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)分樓層凡辱；當(dāng)GPS衛(wèi)星信號較弱時戒职，可輔助GPS計(jì)算高度，提高定位精確度透乾；
缺點(diǎn)：容易受到氣流和天氣狀況的影響洪燥。
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乳乌；第二種方法是利用計(jì)步器方法實(shí)現(xiàn)PDR捧韵。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(jì)和一個3軸陀螺儀的6自由度(DOF)慣性測量單元赴碘。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)社衰，例如，慣性測量單元被永久性安裝在汽車和導(dǎo)彈內(nèi)鸡视。該系統(tǒng)在短時間內(nèi)的定位精度相對較高桃旷。因?yàn)榈统杀綧EMS運(yùn)動傳感器的零偏漂移問題，當(dāng)沒有GPS衛(wèi)星信號時酒半，經(jīng)過積分和二重積分運(yùn)算后薯舆，定位誤差會隨時間推移而變大晚乙。此外，行人通常把智能手機(jī)放在衣袋或掛在腰帶上累冠，他們隨時都會從衣袋里或腰帶上取出手機(jī)查看當(dāng)前所在方位缘违。這就是說，智能手機(jī)與用戶身體的相對位置不固定蝇罐。
不過岸腥，SINS/GPS集成化PNS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是定位與用戶無關(guān)，這就是說拔调，所有用戶無需給智能手機(jī)建钠友兀或訓(xùn)練智能手機(jī)，以適應(yīng)不同類型的行人的動作败砂，例如赌渣，步行、跑步和上下樓梯等昌犹。
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步長估算坚芜，定位誤差始終是有限的。
PDR的第一步是使用加速度計(jì)精確檢測腳步斜姥。這個過程的基本原理是鸿竖，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)垂直主軸铸敏；然后缚忧，將加速度測量數(shù)據(jù)與第一個參考閾值對比，隨后杈笔，參考閾值將根據(jù)不同的運(yùn)動類型自動更新闪水。因此，加速度計(jì)可以準(zhǔn)確計(jì)算行人步行蒙具、跑步和上下樓梯時的步數(shù)嬉哥。
第二步是當(dāng)GPS信號很強(qiáng)時校準(zhǔn)步長。智能手機(jī)計(jì)算行人的平均步長的方法是勒蜀，用從GPS開始測量起經(jīng)過的距離除以上面的計(jì)步器算法得出的步數(shù)津咒。步行人的所有的運(yùn)動類型，例如 雁碘，慢走哩拔、快走、慢跑啥拘、快跑肯坊、上下樓梯等，都需要執(zhí)行步長校準(zhǔn)步驟觅符。不同的行人有不同的運(yùn)動方式诉拔。因此，PDR與用戶有關(guān)深吠，所有的步行人都需要一個自動校準(zhǔn)或自我訓(xùn)練的步長估算算法增厢。
第三步是整合加速度計(jì)、陀螺儀桑孩、磁力計(jì)和GPS接收器的數(shù)據(jù)求解精確的前進(jìn)信息拜鹤。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)方向流椒。在一個無磁場干擾的環(huán)境內(nèi)敏簿，加速度計(jì)和磁力計(jì)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)入建筑物前宣虾，GPS定位信息能夠根據(jù)位置檢索傾斜角惯裕，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)方向信息绣硝。如果周圍環(huán)境沒有干擾磁場蜻势，可以利用磁力計(jì)的測量數(shù)值提取前進(jìn)方向信息。如果發(fā)現(xiàn)干擾磁場鹉胖，陀螺儀將接替磁力計(jì)的工作握玛，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)外界磁場干擾消失甫菠，陀螺儀將立即停止運(yùn)行挠铲，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)字羅盤寂诱。當(dāng)智能手機(jī)是靜止?fàn)顟B(tài)時网孕，加速度計(jì)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崔捌。當(dāng)行人在購物中心乘坐電梯或登樓梯時洪防，壓力傳感器會更新數(shù)字地圖，顯示行人當(dāng)前所在樓層榄陆。壓力傳感器還能利用卡爾曼濾波器濾除加速度計(jì)的Z軸漂移沛摩。
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)剧债。所有的GPS接收器都有1個PPS (脈沖/秒)輸出信號帽遏，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昏锨，例如50Hz或100Hz祷鼎。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(jì)算導(dǎo)航信息；相反映僚，當(dāng)GPS衛(wèi)星信號被屏蔽時寞竭，則使用航位推測算法輸出的數(shù)據(jù)。當(dāng)GPS信號恢復(fù)時酣难，該濾波器還能估算需要修正的傳感器誤差谍夭。
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)品憨募，5%的行進(jìn)距離誤差通常是可以接受的紧索。例如，當(dāng)一個人在室內(nèi)走過100米的距離時菜谣，定位誤差應(yīng)該在5米范圍內(nèi)珠漂。
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(jì)尾膊、陀螺儀和壓力傳感器媳危。隨著尺寸越來越小，功耗越來越低眯停，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济舆。
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)注莺债。隨著先進(jìn)濾波算法研發(fā)的深入滋觉，在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)5%的距離誤差是切合實(shí)際的。
最近幾年，隨著MEMS壓力傳感器的性能不斷提高垫释，成本和尺寸不斷降低丝格，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)航位推測和導(dǎo)航功能撑瞧。
本文論述如何在個人導(dǎo)航儀內(nèi)利用MEMS壓力傳感器輔助GPS接收器測量海拔高度。本文第一部分概述大氣壓與海拔高度的關(guān)系显蝌。第二部分描述如何使用壓力傳感器計(jì)算海拔高度预伺。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)航儀中惨浩，MEMS壓力傳感器充當(dāng)氣壓計(jì)用于測量海拔高度變化早斯。因此，我們必須了解不同高度的大氣壓赫窄。
我們居住在地球大氣層的底層阶桦，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)大氣壓臭脯，這個平均值不受時間影響蝉狭，而受到測量點(diǎn)的地理位置、氣溫和氣流的影響咳龄。
因此撞恰，壓力單位之間的換算關(guān)系是:
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: 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迎反。
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)系审服。
圖1:大氣壓與海拔高度的關(guān)系
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米熬甚。
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)高度變化逢渔。因此，在高層建筑內(nèi)乡括，可以使用壓力傳感器發(fā)現(xiàn)樓層變化肃廓。
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诲泌，數(shù)據(jù)采集時間總計(jì)大約23分鐘官澳。從圖中我們可以清晰地看到大氣壓在不同樓層的變化尔兆。大氣壓在地下室最高。隨著樓層升高唯诞，大氣壓逐漸降低少迁。
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. 在個人導(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)中弓洒，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，例如律罢，加速度計(jì)膀值、陀螺儀和/或磁力計(jì)。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)误辑，個人導(dǎo)航或航位推測對于導(dǎo)航變得非常重要沧踏。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測量高度巾钉。
個人導(dǎo)航系統(tǒng)（PNS）與個人航位推測（PDR）系統(tǒng)相似翘狱。從基本原理看，當(dāng)無法獲得GPS衛(wèi)星信號時砰苍，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)信息潦匈，引導(dǎo)用戶到達(dá)興趣點(diǎn)，獲得位置關(guān)聯(lián)服務(wù)(LBS)师骗。
前進(jìn)信息可以來自磁力計(jì)或陀螺儀或兩者的模組历等。PNS是利用慣性導(dǎo)航原理（INS）對加速度計(jì)的測量值進(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)提供的測量數(shù)據(jù)而獲得的方位信息辟癌。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)的方位荐捻。
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)示意圖滩哥。從傳感器角度看，該系統(tǒng)包括一個3軸加速度計(jì)昨镊、一個3軸陀螺儀溃恼、一個3軸磁力計(jì)和一個壓力傳感器磅愤。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追粉。主處理器用于采集傳感器數(shù)據(jù)举库，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
· 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短硼；檢索地球偏轉(zhuǎn)角信息翩性，根據(jù)地理前進(jìn)方向修正磁力計(jì)前進(jìn)方向；當(dāng)GPS信號增強(qiáng)時校準(zhǔn)計(jì)數(shù)器步長自幕；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稽徙。
缺點(diǎn)：當(dāng)行人保持靜止時，GPS無法確定前進(jìn)方向振袋；無法檢測高度（海拔高度）的細(xì)微變化很鸥。
· 加速度計(jì):
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(jì)步器的檢測功能珍语；用于檢測步行人當(dāng)前的狀態(tài)是靜止還是運(yùn)動锤岸。
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板乙；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)矩陣是偷；當(dāng)磁力計(jì)受到干擾時，輔助數(shù)字羅盤計(jì)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定位錯誤亡驰。
· 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)方向晓猛；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)分樓層凡辱；當(dāng)GPS衛(wèi)星信號較弱時戒职，可輔助GPS計(jì)算高度，提高定位精確度透乾；
缺點(diǎn)：容易受到氣流和天氣狀況的影響洪燥。
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乳乌；第二種方法是利用計(jì)步器方法實(shí)現(xiàn)PDR捧韵。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(jì)和一個3軸陀螺儀的6自由度(DOF)慣性測量單元赴碘。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)社衰，例如，慣性測量單元被永久性安裝在汽車和導(dǎo)彈內(nèi)鸡视。該系統(tǒng)在短時間內(nèi)的定位精度相對較高桃旷。因?yàn)榈统杀綧EMS運(yùn)動傳感器的零偏漂移問題，當(dāng)沒有GPS衛(wèi)星信號時酒半，經(jīng)過積分和二重積分運(yùn)算后薯舆，定位誤差會隨時間推移而變大晚乙。此外，行人通常把智能手機(jī)放在衣袋或掛在腰帶上累冠，他們隨時都會從衣袋里或腰帶上取出手機(jī)查看當(dāng)前所在方位缘违。這就是說，智能手機(jī)與用戶身體的相對位置不固定蝇罐。
不過岸腥，SINS/GPS集成化PNS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是定位與用戶無關(guān)，這就是說拔调，所有用戶無需給智能手機(jī)建钠友兀或訓(xùn)練智能手機(jī)，以適應(yīng)不同類型的行人的動作败砂，例如赌渣，步行、跑步和上下樓梯等昌犹。
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步長估算坚芜，定位誤差始終是有限的。
PDR的第一步是使用加速度計(jì)精確檢測腳步斜姥。這個過程的基本原理是鸿竖，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)垂直主軸铸敏；然后缚忧，將加速度測量數(shù)據(jù)與第一個參考閾值對比，隨后杈笔，參考閾值將根據(jù)不同的運(yùn)動類型自動更新闪水。因此，加速度計(jì)可以準(zhǔn)確計(jì)算行人步行蒙具、跑步和上下樓梯時的步數(shù)嬉哥。
第二步是當(dāng)GPS信號很強(qiáng)時校準(zhǔn)步長。智能手機(jī)計(jì)算行人的平均步長的方法是勒蜀，用從GPS開始測量起經(jīng)過的距離除以上面的計(jì)步器算法得出的步數(shù)津咒。步行人的所有的運(yùn)動類型，例如 雁碘，慢走哩拔、快走、慢跑啥拘、快跑肯坊、上下樓梯等，都需要執(zhí)行步長校準(zhǔn)步驟觅符。不同的行人有不同的運(yùn)動方式诉拔。因此，PDR與用戶有關(guān)深吠，所有的步行人都需要一個自動校準(zhǔn)或自我訓(xùn)練的步長估算算法增厢。
第三步是整合加速度計(jì)、陀螺儀桑孩、磁力計(jì)和GPS接收器的數(shù)據(jù)求解精確的前進(jìn)信息拜鹤。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)方向流椒。在一個無磁場干擾的環(huán)境內(nèi)敏簿，加速度計(jì)和磁力計(jì)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)入建筑物前宣虾，GPS定位信息能夠根據(jù)位置檢索傾斜角惯裕，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)方向信息绣硝。如果周圍環(huán)境沒有干擾磁場蜻势，可以利用磁力計(jì)的測量數(shù)值提取前進(jìn)方向信息。如果發(fā)現(xiàn)干擾磁場鹉胖，陀螺儀將接替磁力計(jì)的工作握玛，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)外界磁場干擾消失甫菠，陀螺儀將立即停止運(yùn)行挠铲，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)字羅盤寂诱。當(dāng)智能手機(jī)是靜止?fàn)顟B(tài)時网孕，加速度計(jì)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崔捌。當(dāng)行人在購物中心乘坐電梯或登樓梯時洪防，壓力傳感器會更新數(shù)字地圖，顯示行人當(dāng)前所在樓層榄陆。壓力傳感器還能利用卡爾曼濾波器濾除加速度計(jì)的Z軸漂移沛摩。
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)剧债。所有的GPS接收器都有1個PPS (脈沖/秒)輸出信號帽遏，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昏锨，例如50Hz或100Hz祷鼎。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(jì)算導(dǎo)航信息；相反映僚，當(dāng)GPS衛(wèi)星信號被屏蔽時寞竭，則使用航位推測算法輸出的數(shù)據(jù)。當(dāng)GPS信號恢復(fù)時酣难，該濾波器還能估算需要修正的傳感器誤差谍夭。
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)品憨募，5%的行進(jìn)距離誤差通常是可以接受的紧索。例如，當(dāng)一個人在室內(nèi)走過100米的距離時菜谣，定位誤差應(yīng)該在5米范圍內(nèi)珠漂。
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(jì)尾膊、陀螺儀和壓力傳感器媳危。隨著尺寸越來越小，功耗越來越低眯停，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济舆。
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)注莺债。隨著先進(jìn)濾波算法研發(fā)的深入滋觉，在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)5%的距離誤差是切合實(shí)際的。
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