MEMS和無線導航「強強聯手」，為手機定位保駕護「航」

據麥姆斯諮詢報導，集成了信號調理和無線通信的MEMS傳感器，構成滿足極低成本、低功耗要求和最小尺寸的「微粒（motes）」。

如今現代移動設備的標準功能——MEMS加速計和陀螺儀，可與絕對定位技術（如全球導航衛星系統（GNSS）或其它無線技術等）相結合，用於用戶定位。

MEMS傳感器的發展促成了導航的革命性變化，為無線定位技術和將此類技術融入現代智慧型手機提供了新功能。

此類新技術的範圍涉及從使用短程紅外點對點通信的簡單IrDA，到點對多點通信的短程無線個人區域網（WPAN），如藍牙和ZigBee；再到中程的多跳無線區域網（WLAN，也稱無線保真或Wi-Fi）；最後到長程手機系統，如GSM / GPRS和CDMA。

通過此類技術，導航本身已變得比僅為移動位置服務（LBS）問題提供解決方案更為廣泛，例如「我在哪裡？」或者「從起點到終點如何走？」。

導航已進入新領域，如遊戲、地理定位、移動地圖、虛擬現實、追蹤、健康監測和情景感知。

MEMS傳感器現已成為現代智慧型手機和平板電腦不可或缺的元件。

通過微加工（micro-fabrication）技術製造出微型器件和微結構，其物理尺寸範圍從不到1微米（μm，100萬分之一米）至幾毫米（mm）。

MEMS器件的種類繁多，從沒有可動且相對簡單的結構，到由集成電路控制並具有多個可動結構的複雜機電系統，應有盡有。

除了減少尺寸，MEMS技術還具備其它優勢，如批量生產、成本降低、功耗（電壓）降低、堅固性和設計靈活性。

無線傳感技術允許MEMS傳感器集成信號調理和無線通信單元，形成極低成本、小尺寸和低功率要求的「微粒」。

基於MEMS的新型微型傳感器和執行器處於開發階段或供貨階段。

如今的智慧型手機傳感器用到MEMS加速計、麥克風、陀螺儀、溫度及濕度傳感器、光傳感器、接近傳感器、觸摸傳感器、圖像傳感器、磁力計、氣壓傳感器和電容式指紋傳感器，此類傳感器均集成於無線傳感器節點。

這些傳感器最初並未用於導航。

比如加速計主要用於如將應用程式的顯示介面進行橫屏/豎屏切換。

然而，這些嵌入式傳感器是感知用戶情景的自然選擇。

由於其定位能力，人們已習慣了定位生活。

例如，MEMS加速計和陀螺儀可結合絕對定位技術（如GNSS或其它無線技術）用於用戶定位。

智慧型手機的無線標準選擇

多種多樣的無線標準已經建立。

其中，Wi-Fi、IEEE 802.11b、無線PAN、IEEE 802.15.1 （藍牙）及IEEE 802.15.4（ZigBee）的標準已廣泛用於測量及自動化應用。

所有標準均利用儀器、科學及醫學（ISM）無線電波段，包括902~928 MHz（美國）、868~870 MHz（歐洲）、433.05~434.79 MHz（美國和歐洲）、314~316 MHz（日本）和2.4000~2.4835 GHz間的亞千兆赫波段（全世界均可接收）。

一般來說，較低頻率會使傳輸範圍更廣，穿透牆壁/玻璃的能力更強。

然而，由於低頻率的特性，無線電波更容易被諸如水和樹木的物料吸收；而高頻率的無線電波更容易分散，但在額定功率情況下，信號的有效傳輸距離通過高頻無線電波傳播未必比低頻短。

2.4 GHz波段有更寬的帶寬，可容納更多頻道及頻率跳變，並允許交換式波束天線。

無線保真：Wi-Fi（IEEE 802.11）是一種靈活的數據通信協議，用於擴展或替代有線區域網，如乙太網。

802.11b的帶寬為11兆比特，運行頻率為2.4 GHz。

無線保真最初是一種用於短距離無線數據通信的技術，它通常被開發為單個熱點的自組織網絡。

無線網絡是通過在有線網絡邊緣增加一個接入點（AP）而建立起來的。

客戶端與AP的通信是通過類似乙太網適配器的無線網絡適配器完成的。

信標幀在IEEE 802.11 Wi-Fi中傳輸，達到網絡識別、廣播網絡容量、同步和其他控制及管理的目的。

所有終端的定時器都通過信標幀的時間戳信息與AP時鐘同步。

IEEE 802.11 MAC（媒體訪問控制）協議利用了基於能量檢測或信號質量的載波偵聽爭用。

APs的RSSs和MAC地址為位置相關信息，它可用於定位。

對於移動設備的定位，通常採用基於單元的解決方案或（三角測量定位）最小二乘法及位置指紋。

藍牙：作為一種用於短距離通信的無線協議，藍牙（IEEE 802.15.1）使用2.4 Hz、915 MH和868 MHzISM無線電波段，以1兆比特的速度通信，最多可連接設備。

主要目的是實現自組織網絡功能的最大化（Wang et al .，2006）。

與Wi-Fi相比，藍牙的總比特率較低（1Mbps），範圍更短（通常為10米左右）。

另一方面，藍牙是一種「較輕」的標準，非常普遍（在大多數手機中都有）。

除了IP之外，還支持其他一些網絡服務。

對於定位而言，標籤（tags，小尺寸收發器）或低功耗藍牙（BLE）iBeacons是很常見的。

每個標籤都有可以用於定位的唯一ID。

iBeacon是蘋果開發的低能耗協議，兼容發射器硬體，通常稱為「信標」，將其標識符傳輸到附近的可攜式電子設備上。

該技術使智慧型手機、平板電腦和其他設備能夠在接近同一個iBeacon時進行操作，由兼容的應用程式或作業系統所接收到的通用唯一標識符傳輸。

通過它發送的標識符和幾個字節可以用來確定設備的物理位置、跟蹤客戶，或者在設備上觸發一個LBS操作，比如在社交媒體上的簽到或推送通知。

一種應用程式是在某個關注度較多的地點發布消息——例如商店、公共汽車站、房間或者更具體的位置（如家具、自動售貨機）。

這類似於以前使用的基於GNSS的geopush技術，但對電池壽命的影響要小得多且精度更佳。

另一種應用是室內定位系統，幫助智慧型手機確定其大致位置或情景。

在iBeacon的幫助下，智慧型手機的軟體可以找到它與iBeacon的相對位置。

iBeacon不同於其他LBS技術，因為beacon只是接收智慧型手機的單向發射機，需要安裝在設備上的特定應用程式與信標進行交互。

因為當用戶不經意經過發射機時會違背他們的意願，這就確保了只有安裝的應用程式（而不是iBeacon發射機）能夠跟蹤用戶。

定位是基於近距離傳感單元的解決方案。

ZigBee：ZigBee是基於IEEE 802.15.4標準的一套高級通信協議，用於創建小型、低功耗數字無線電的個人區域網。

ZigBee使用ISM無線電波段：2.4 GHz（全球範圍內的大部分地區）、784 MHz（中國）、868 MHz（歐洲）、915 MHz（美國和澳大利亞）。

數據率從20 kbit / s（868 MHz頻段）到250 kbit / s（2.4 GHz 頻段）不等。

ZigBee增加了網絡、安全性和應用程式軟體，旨在比其他無線個人域網（如藍牙、Wi-Fi）更簡單、更經濟。

歸功於低功耗和簡單的網絡配置，ZigBee最適合於傳感器或輸入設備的非連續性數據傳輸。

主要應用包括無線電燈開關、家用電錶顯示、交通管理系統和其他需要短距離低速率無線數據傳輸的工業設備。

距離僅限10米到100米，視功率輸出和環境特性而定。

ZigBee定位技術通常使用信號強度測量（基於RSS的定位），結合最小二乘法（三角測量定位法）和指紋識別。

三種標準的比較

下表比較了最適合無線傳感器網絡的三種無線標準。

這些標準還解決了無線傳感器的網絡問題。

三種類型的網絡（星型、混合型和網狀型）已完成開發和標準化。

Wi-Fi、藍牙和ZigBee的比較

藍牙使用星型網絡，由微微網（piconets）和散射網（scatternets）組成。

每個微微網將一個主節點連接到七個副節點，而每個散射網連接多個微微網，形成一個自組織網絡。

ZigBee使用的混合星網，具有路由功能的多個主節點連接到沒有路由功能的副節點。

最有效的網絡技術使用對等網格網絡，它允許網絡中的所有節點具有路由功能。

網狀網絡允許自動節點自組裝到網絡中，並允許傳感器信息在擴展範圍內以高可靠性傳播。

它們還允許網絡中的「偵聽器」具備時間同步和低功耗，從而延長電池壽命。

當大量的無線傳感器需要聯網時，不同級別的網絡可能會相互結合。

例如，由高端節點（如網關單元）組成的IEEE 802.11（Wi-Fi）網狀網絡，可以在ZigBee傳感器網絡上覆蓋，以維持高水平的網絡性能。

遠程應用程式伺服器（RAS）也可以部署在定位傳感器網絡附近來管理網絡，收集定位數據，管理基於web的應用程式，通過GSM / GPRS和基於CDMA的數據機遠程訪問行動網路。

同時，訪問網際網路和遠程用戶。

評估方法

最常見的三種定位估計方法是基於基站的定位（cell-of-origin, CoO）、（三角測量定位）最小二乘法和定位指紋，定位精度以及優缺點各自不同。

三種方法提供了不同程度的精度，從幾分米到數十米。

相比於（三角測量定位）最小二乘法和定位指紋，CoO的操作原理是最直接和最簡單的。

但其缺點是需求大量設備或接收器，以及它們在動態環境中的性能偏弱。

所有這些技術都提供了絕對定位的能力。

但是如果沒有可用信號的覆蓋或信號不可用，就會丟失位置修正。

因此，與其他技術相結合，以搭建無線信號鎖定導致的損失（例如沒有GNSS接收）的橋樑是必需的。

在智慧型手機中，運動傳感器可以用於慣性導航。

在本文中，這些傳感器也被稱為慣性傳感器。

在最簡單的情況下，可以通過航位推測法對慣性傳感器的相對測量值得到位置信息。

例如，加速度計可以在行人行走時計算步數，而陀螺儀和磁力計可以提供運動方向。

因此，這些傳感器在導航解決方案上取得了重大的進展。

MEMS位置傳感器

對於許多導航應用來講，單單精度和性能提高並不一定是最重要的問題，而是在降低成本和尺寸的情況下滿足性能要求。

特別是，小型導航傳感器可以將引導、導航和控制功能增加到應用中，這在以前是認為無法實現的。

在這種情況下，尺寸小、耐用、成本低和重量輕的MEMS陀螺儀和加速計非常可能且將用於慣性制導系統——在沒有MEMS之前，這些都是無法想像的。

然而，傳感元件尺寸的減小，為獲得良好的性能帶來了挑戰。

一般來說，MEMS慣性測量單元（IMUs）的性能仍然受到陀螺儀性能的限制，典型值在10到30 deg/h之間，加速度計性能不是限制因素，加速度計的精度可達數十μg或更好的性能。

MEMS一直在高精度、軍用質量級別的征途中前行

MEMS加速度計：MEMS加速度計有扭擺式/位移質量型和諧振型。

前者採用閉環電容感應和靜電力，後者則採用共振操作。

兩者都以兩種主要的方式檢測加速度：加速度下位移或柔性支撐質量塊變化產生的電容變化或壓電讀數，或由張力改變引起的振動部位的頻率變化（來自抗震質量塊的負重）。

扭擺式加速度計滿足從1 mg到25 μg的軍用級別的性能要求。

諧振型加速度計或振梁式加速度計（VBAs）可以達到1 μg的更高性能要求。

MEMS陀螺儀：對於MEMS慣性導航系統來說，獲得合適的陀螺儀性能比加速度計更難實現。

MEMS陀螺儀屬分為四類：振動梁、振動板、環形諧振器和抖動加速度計。

陀螺儀通常是為混合解決方案製造的，傳感器和ASIC是兩個獨立的晶片。

所有振動陀螺儀都是基於科里奧利力的工作原理。

如果質量塊在飛機上正弦狀態震動，這架飛機以旋轉角速率Ω，科里奧利力會引起質量塊垂直於框架呈現正弦振動，角速率Ω與振幅成正比。

測量科里奧利力，則得到角速率Ω信息。

這種速率測量是所有石英和矽微加工的基本原理。

這些陀螺儀通常被設計成電信號驅動的諧振器，通常由一片石英或矽製成。

輸出經解調、放大和數字化。

它們的體積極小，集合矽的優勢，使其成為超高加速度應用領域的理想選擇。

對於純粹的表面微機械陀螺儀，考慮到它們的小尺寸和電容，單片集成是值得考慮的選擇，成本不高，但性能尚可。

慣性測量單元組合（IMUs）：由於高性能的小型陀螺儀製造難度大，因此對所有加速度計系統關注度增加，也被稱為無陀螺系統。

通常使用兩種方式。

第一種是首先利用科里奧利效應。

通常，三對單片MEMS加速度計在振動（或旋轉）結構上抖動。

這種方法能夠檢測出角速率Ω。

第二種是加速度計被放置在固定位置，用來測量角加速度。

在這兩種方法中，加速度計也測量線性加速度，一個完整的導航解決方案得以實現。

然而，在直接的方法中，需要進行一個更集成的步驟，使得它更容易受到偏差變化和噪聲的影響，因此輸出錯誤比使用傳統IMU的增長速度要快得多。

然而，這些設備只提供軍用級別的性能，並且在GNSS輔助應用程式中非常有用。

導航級全加速度計IMU的概念要求加速度計在遠距離仍能精確到納米級甚至更高。

GNSS不適用的環境下，使用全加速度計導航可能需要增加其它的絕對定位技術。

通過將平面（x軸和y軸）和另一個平面（z軸）傳感器的集成在一顆晶片上，可進一步減小傳感器的尺寸。

此類多軸陀螺儀和加速計晶片組合的IMUs尺寸可減小到0.2 cm^3。

氣壓傳感器：在智慧型手機和其他移動設備中嵌入的氣壓傳感器要求尺寸小、成本低和準確度高。

壓力傳感器的關鍵元件是包含壓阻器的隔膜，它可以由離子注入或擴散形成。

壓力施加在隔膜，從而改變壓阻器的電阻。

通過惠斯通橋上的壓阻器，產生電壓輸出信號。

壓力傳感器的測量靈敏度是由膜片底部平面的應變決定的，因此更大的應變會導致更高的靈敏度。

這些高度計越來越多地用於智慧型手機和其他導航系統。

例如，他們可以讓用戶確定高度，以確定多層建築物的正確樓層。

行人航跡推算（PDR）：在移動設備中嵌入的MEMS加速計可以通過加速度推算行走距離，磁力計和陀螺儀獲得用戶的方向。

從已知位置開始，由GNSS或其他絕對定位技術決定，用戶的當前位置可以用慣性傳感器的觀測來預測。

PDR技術與其他定位技術不同，因為位置總是基於先前的位置計算，與實際位置無關。

PDR可以提供最佳的位置信息，但也會出現重大的累積誤差，如複合、乘積或指數誤差。

由於許多因素如速度和方向都必須準確地確定，才能確保每時每刻的位置信息準確。

PDR的準確性可以通過使用其他更可靠的方法——GNSS或另一種絕對定位技術如Wi-Fi——來顯著提高，與慣性傳感器的結合可實現更可靠和準確的導航。

高度測量：對於導航來說，確定用戶的高度非常重要，如在多層建築中確定正確的樓層。

氣壓傳感器可以提供此類數據，同時可擴展通常只能提供可靠2D定位的慣性傳感器。

此外，只要有3顆GNSS衛星給出2D定位精度，壓力傳感器即可幫助實現3D定位。

帶有氣壓傳感器的高度測量儀可從給定的起始高度，完成相對測量，如從建築物外部的GNSS得到給定高度作為室內環境的已知高度值。

當用戶在建築物內行走、爬樓梯或乘電梯到其他樓層時，使用壓力變化及高度差間的換算關係即可計算出空氣壓力差。

為計算高度差的氣壓轉換，兩個位置的溫度平均值也是需要的；MEMS紅外溫度傳感器越來越多地出現在智慧型手機上提供此類數據。

活動探測：低成本慣性及運動傳感器為動態活動模式推測提供了新平台。

人體活動識別的目的是通過一系列對用戶身體及環境的觀察來識別一個人的動作。

單一的雙軸加速度計可對六種活動進行分類：行走、跑步、坐、爬樓梯和站立。

直至近日，穿戴式傳感器已用於活動探測，但將其用於智慧型手機的收集數據及活動識別的研究還比較少。

智慧型手機加速計可識別如下圖三軸方向上的加速度，因此可確定不同運動過程。

智慧型手機坐標系（左）及全球水平坐標系（右）

若在向前運動中水平手持智慧型手機，則其y軸上的加速度就會產生。

在加速運動時，可採用兩種方法來測量線性位移：將加速度/步數探測器與步長估算相結合。

在第一種情況中，從理論上計算運動里程，可以通過整合一次加速度和兩次距離來實現。

然而，由於雙集成，信號中的任何錯誤都將迅速傳播，因此，從加速度計接收到信號的漂移在幾秒鐘內就會使集成電路無法工作。

當腳在一小段時間內靜止時，速度就會在每一步之間重置為零，零速度更新（ZUPT）技術可以克服這一問題，可以使每步中產生的任何錯誤都不影響後續計步。

由於ZUPT是利用腳步間的固定時間來計算的，所以只有當加速度計位於腳上時，才可使用ZUPT。

在第二種情況中，通過處理垂直加速度的波動計算步數，從而得出運動里程，每步都過零兩次。

當獲得步數和步長時，距離就可以用乘法來計算。

下圖顯示，針對在z軸上記錄用戶步行加速度，選出有顯著性的最大值和最小值便可記錄步數。

對智慧型手機局部坐標系統x、y、z軸的重力效應進行校正，是正確確定加速計導航運動里程的關鍵。

MEMS三軸加速計允許設備檢測沿三個軸的力，以完成基於預定義配置的特殊功能。

步行用戶加速計z軸數據的典型記錄

移動設備可通過此方式來確定方位：運動或前進方向在其中一個軸是一致的（例如y軸），正x軸向右和正z軸向上。

當y軸水平時，重力作用將全部體現在z軸。

然而，手機很可能被用戶放在口袋或包里。

因此，大多數現有的步數探測算法都不能直接使用，必須將加速度計的方位考慮在內。

由於手機可以在任意方位放置，觀察加速度計才可確定哪個軸是最垂直的。

軸心的加速直接指向地心，相當於1 g重力。

因此，若智慧型手機平躺在桌子上，顯示屏一側朝上，則理論上在加速計的z軸方向會有1000 mg。

如果手機在某人的口袋裡傾斜放置（不在單個軸上），那麼它就會低於1000 mg。

因此，為了確定加速度計最垂直的軸，取最後30個樣本的平均值，或在1.2秒內測算三個軸中哪個軸的絕對值最接近於1 g，那麼這個軸就是最垂直的軸。

系統比較

下表比較了移動設備中最常用的位置傳感器和系統，根據其定位能力（絕對或相對）及其類型進行分類。

混合解決方案是一種有意義的組合，將為移動智慧型手機用戶的定位提供最佳性能。

移動設備中最常用的位置傳感器及系統的規格

結合MEMS和無線導航：對於大多數室內導航系統，MEMS傳感器和無線導航的組合提供了最佳解決方案。

隨時間推移，定位誤差不斷累積，MEMS傳感器可以提供相對定位信息。

在當地或全球的坐標系中，無線導航系統則可提供絕對位置信息，不需要整合過去的測量信息獨立估算。

兩種技術的結合可利用二者優勢，形成更強大的定位解決方案。

結論

隨著位置感知設備的日益普及，推動了GNSS在「困境」中（如地下隧道或室內環境中衛星信號丟失）對定位能力的需求。

沒有任何單一的傳感器或無線技術能夠滿足大眾市場應用對安全性及可靠性日益提高的要求。

集成是提高定位性能水平的一種方法。

但是在GNSS「困境」中，高性能定位「飄忽不定」，因此，更高的性能水平需要從MEMS和無線技術中獲益。

延伸閱讀：

《Epson Toyocom石英陀螺儀：X3500W》

《加速度計和陀螺儀市場-2016版》

《InvenSense三核處理器+六軸運動傳感器：ICM-30630》

《全球GNSS晶片市場-2017版》

《國防、航天航空和工業領域的高端陀螺儀、加速度計和慣性測量單元》

《2014-2018年全球室內定位服務市場》

《位置傳感器市場-2016版》