mems 定位简介

MEMS辅助定位技术

MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在

欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微

型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体

集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展

起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合

成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯

片集成化。

智能手机中常用到的MEMS辅助定位器件

在当前市面上销售的智能手机中，大多数都内置了GPS接收器和低成本的MEMS运动传感器，例如，加速度计、陀螺仪和/或磁力计。在没有GPS卫星信号的建筑物内或GPS信号很弱的高楼林立的大都市内，个人导航或航位推测对于导航变得非常重要。鉴于GPS接收器在户内户外测量高度都不够精确，在智能手机内集成MEMS运动传感器可以辅助GPS测量高度。

个人导航系统(PNS)与个人航位推测(PDR)系统相似。从基本原理看，当无法获得GPS卫星信号时，PNS或PDR可以在智能手机的电子地图上继续提供方位和前进信息，引导用户到达兴趣点，获得位置关联服务(LBS)。

前进信息可以来自磁力计或陀螺仪或两者的模组。PNS是利用惯性导航原理(INS)对加速度计的测量值进行双重积分求解决方位信息，而PDR是计步器和步长估算器根据典型计步器原理计算加速度计提供的测量数据而获得的方位信息。在一定时间内获得前进方向和行进路程的信息后，导航系统在智能手机的电子地图上更新行人在户内的方位。

惯性导航系统

惯性导航系统是一种利用安装在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置的一个系统。通过陀螺仪和加速度计的测量数据，可以确定运载体在惯性参考坐标系中的运动，同时也能够计算出运载体在惯性参考坐标系中的位置。

不同于其他类型的导航系统，惯性导航系统是完全自主的，它既不向外部发射信号，也不从外部接收信号。惯性导航系统必须精确地知道在导航起始时运载体的位置，惯性测量值用来估算在启动之后所发生的位置变化。。

压力传感器

在个人导航仪中，MEMS压力传感器充当气压计用于测量海拔高度变化。

我们居住在地球大气层的底层大气压随着海拔高度的上升而降低。我们将在59℉时的29.92in/Hg海平面气压规定为标准大气压，这个平均值不受时间影响，而受到测量点的地理位置、气温和气流的影响。当高度低于1,500米时，大气压几乎呈线性降低。

MEMS压力传感器能够发现在1米以内高度变化。因此，在高层建筑内，可以使用压力传感器发现楼层变化。压力传感器的测量精度会受到气流和天气条件的影响。为了取得精确、可靠的楼层测量结果，需要为压力传感器开发校准和滤波算法。

加速度计

加速度计本质上是一个振荡系统，安装于运动载体的内部，可

以用来测量载体的运动加速度。

一个惯性导航系统包含三个加速度计，每个加速度计能够敏感一个方向上的加速度，通常三个敏感方向互相垂直。为了参照惯性参

考坐标系进行导航，必须对加速度计的指向进行跟踪。用陀螺可以敏感载体相对于惯性参考坐标系的旋转运动，这样就可以测定加速度计在所有时刻的指向。有了这些信息，便可将加速度分解到参考坐标系，然后进行积分。

三轴陀螺仪

机械陀螺仪——中间有一转

盘，用以侦测方向的改变。

其转轴的指向不随承载它的

支架的旋转而变化。

同时测定6个方向的位置，移动轨迹，加速。单轴的只能测量一个方向的量，也就是一个系统需要三个陀螺仪，

而3轴的一个就能替代三个单轴的。三轴的体积小、重量轻、

结构简单、可靠性好，是激光陀螺的发展趋势。

陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，可与MEMS

加速度计（加速计）形成优势互补，如果组合使用加速度计和陀螺

仪这两种传感器，设计者就能更好地跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统

以及其它功能。要准确地描述线性（直线运动）和旋转运动（有转

弯变化的运动），需要设计者同时用到陀螺仪和加速度计。

混合的陀螺仪、加速度计或磁感应计结合的方案正成为MEMS陀螺仪技术应用的趋势。

三轴加速度计

PNS或PDR

原理示意图

捷联潮间带

导航系统

三轴陀螺仪

三轴磁力计

压力传感器

松散耦合的扩展

卡尔曼滤波器

GPS 接收端

各器件的优缺点GPS

优点：GPS可以提供进入建筑物前的初始方位;检索地球偏转角信息，根据地理前

进方向修正磁力计前进方向;当GPS信号增强时校准计数器步长;分别向惯性导航系统的

松耦合和紧耦合卡尔曼滤波算法提供有界的精确方位信息(经纬度)输出和伪距原始测

量输出。

缺点：当行人保持静止时，GPS无法确定前进方向;

无法检测高度(海拔高度)的细微变化。

各器件的优缺点加速度计

优点：在静态或慢速运动状态下可用

于倾斜度修正型数字罗盘;在线性加速度状

态下可用于计步器的检测功能,用于检测步

行人当前的状态是静止还是运动。

缺点：当智能手机旋转时，无法从地

球重力组分中区别真正的线性加速度;对震

动和振荡过于敏感

陀螺仪:

优点：能够向惯性导航系统连续提供旋转矩阵；当磁力计受到干扰时，辅助数字罗盘计算前进方向信息。

磁力计

优点：能够根据地磁北极计算精确的前进方向;

能够用于校准陀螺仪的灵敏度。

缺点：容易受到环境磁场干扰。

压力传感器

优点：在室内导航应用中可区分楼层；当GPS卫星信号较弱时，可辅助GPS计算高度，提高定位精确度。

缺点：容易受到气流和天气状况的影响