摘要

隨著MEMS傳感器的設(shè)計和制造工藝的進(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。
 
    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。 

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。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：
     • 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^-3bar

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. 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，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，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)缺點歸納如下：

• GPS接收器: 
    o 優(yōu)點：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。
    o 缺點：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:
    o 優(yōu)點：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。
    o 缺點：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:
    o 優(yōu)點：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
    o 缺點：長時間的零偏漂移導(dǎo)致無限的INS定位錯誤。

• 磁力計:
    o 優(yōu)點：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。
    o 缺點：容易受到環(huán)境磁場干擾

• 壓力傳感器: 
    o 優(yōu)點：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；
    o 缺點：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)點和缺點。

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。 

5. 參考文獻(xiàn)
  
    1. U.S. Standard Atmosphere, 1976
    http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19770009539_1977009539.pdf

2. Honeywell International Inc.
    Dead Reckoning for Consumer Electronics

http://www.magneticsensors.com/datasheets/Dead_Reckoning_Consumer_Electronics.pdf  

3. STMicroelectronics, Inc.
    Fabio Pasolini et al, 
   “Pedometer device and step detection method using an algorithm for self-adaptive computation of acceleration thresholds”; United States Patent 7463997:

6. 縮略語

DOF     –     自由度
    GPS     –     全球定位系統(tǒng)
    IMU     –     慣性測量單元
    INS     –     慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
    LBS     –     位置關(guān)聯(lián)服務(wù)
    MEMS    –     微機(jī)電系統(tǒng)
    PDR     –     個人航位推測
    PNS     –     個人導(dǎo)航系統(tǒng)
    PPS     –     脈沖/秒
    SINS    –     捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
    UAV     –     無人駕駛飛行器
    LGA     –     格柵陣列封裝