個人導航儀中的MEMS壓力傳感器

摘要

隨著MEMS傳感器的設計和制造工藝的進步，MEMS壓力傳感器被廣泛用于醫(yī)療、汽車和消費電子等應用領域。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航位推測和導航功能。 

本文論述如何在個人導航儀內利用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航儀如智能手機內集成壓力傳感器。

1. 大氣壓與海拔高度的關系

在個人導航儀中，MEMS壓力傳感器充當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。

因此，上述壓力單位之間的換算關系是:

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

可以用下面的表達式表示大氣壓與海拔高度之間關系^[1]:

其中:
    P0 是標準大氣壓，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根據上面的公式描述了大氣壓變化與海拔高度的關系。

如圖1所示，當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據，可以在目標應用中構建一個大氣壓高度查詢表，根據壓力傳感器的測量結果，確定對應的海拔高度。

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)現在1米以內高度變化。因此，在高層建筑內，可以使用壓力傳感器發(fā)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。芯片內部控制寄存器可以指示測量結果是高于還是低于壓力極限預設值。

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(fā)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

 3. 在個人導航儀中使用MEMS壓力傳感器

在當前市面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(wèi)星信號的建筑物內或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于導航變得非常重要。鑒于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。

個人導航系統(tǒng)（PNS）與個人航位推測（PDR）系統(tǒng)相似。從基本原理看，當無法獲得GPS衛(wèi)星信號時，PNS或PDR可以在智能手機的電子地圖上繼續(xù)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PDR是計步器和步長估算器根據典型計步器原理計算加速度計提供的測量數據而獲得的方位信息。在一定時間內獲得前進方向和行進路程的信息后，導航系統(tǒng)在智能手機的電子地圖上更新行人在戶內的方位。

3.1  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(yōu)缺點歸納如下：

• GPS接收器: 
    o 優(yōu)點：GPS可以提供進入建筑物前的初始方位；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（經緯度）輸出和偽距原始測量輸出。
    o 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:
    o 優(yōu)點：在靜態(tài)或慢速運動狀態(tài)下可用于傾斜度修正型數字羅盤；在線性加速度狀態(tài)下可用于計步器的檢測功能；用于檢測步行人當前的狀態(tài)是靜止還是運動。
    o 缺點：當智能手機旋轉時，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：能夠向慣性導航系統(tǒng)連續(xù)提供旋轉矩陣；當磁力計受到干擾時，輔助數字羅盤計算前進方向信息
    o 缺點：長時間的零偏漂移導致無限的INS定位錯誤。

• 磁力計:
    o 優(yōu)點：能夠根據地磁北極計算精確的前進方向；能夠用于校準陀螺儀的靈敏度。
    o 缺點：容易受到環(huán)境磁場干擾

• 壓力傳感器: 
    o 優(yōu)點：在室內導航應用中可區(qū)分樓層；當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系統(tǒng)(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(yōu)點和缺點。

捷聯慣導系統(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。捷聯慣導系統(tǒng)被成功用于外殼剛性很強的設備內，例如，慣性測量單元被永久性安裝在汽車和導彈內。該系統(tǒng)在短時間內的定位精度相對較高。因為低成本MEMS運動傳感器的零偏漂移問題，當沒有GPS衛(wèi)星信號時，經過積分和二重積分運算后，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查看當前所在方位。這就是說，智能手機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，這就是說，所有用戶無需給智能手機建?；蛴柧氈悄苁謾C，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，智能手機在行人的腰帶后部無論如何放置，都能自動發(fā)現垂直主軸；然后，將加速度測量數據與第一個參考閾值對比，隨后，參考閾值將根據不同的運動類型自動更新。因此，加速度計可以準確計算行人步行、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面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(zhí)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。在估算完步長后，求解航位推測應用的另一個關鍵參數：以地球北極為參考點的絕對前進方向。在一個無磁場干擾的環(huán)境內，加速度計和磁力計測量結果產生的傾斜度修正的數字羅盤能夠提供以地球北極為參照點的精確的前進方向。

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

一旦發(fā)現外界磁場干擾消失，陀螺儀將立即停止運行，羅盤將接替陀螺儀恢復運轉。這個過程被稱之為陀螺儀輔助數字羅盤。當智能手機是靜止狀態(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字地圖，顯示行人當前所在樓層。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傳感器模組數據與GPS數據。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(wèi)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(wèi)星信號被屏蔽時，則使用航位推測算法輸出的數據。當GPS信號恢復時，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上測試PDR的性能。對于消費電子產品，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米范圍內。
 

 4. 結論

MEMS技術和制程的發(fā)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）導航系統(tǒng)和室內PDR應用方面，MEMS壓力傳感器正在引起業(yè)界的強烈關注。隨著先進濾波算法研發(fā)的深入，在室內實現5%的距離誤差是切合實際的。 

5. 參考文獻
  
    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     –     慣性導航系統(tǒng)
    LBS     –     位置關聯服務
    MEMS    –     微機電系統(tǒng)
    PDR     –     個人航位推測
    PNS     –     個人導航系統(tǒng)
    PPS     –     脈沖/秒
    SINS    –     捷聯慣性導航系統(tǒng)
    UAV     –     無人駕駛飛行器
    LGA     –     格柵陣列封裝