跟着MEMS传感器的设计和制造工艺的进步，MEMS压力传感器被广泛用于医疗、汽车和花费电子等应用范畴。例如，压力传感器可用于监测血压，汽车厂商应用气压传感器优化发念头能效，提示驾驶员轮胎气压不足。

比来几年，跟着MEMS压力传感器的机能赓续进步，成本和尺寸赓续降低，花费电子厂张开端使悠揭捉力传感器与惯性传感器和地磁传感器模组实现航位推想和导航功能。

本文阐述如安在小我导航仪内应用MEMS压力传感器帮助GPS接收器测量海拔高度。本文第一部分概述大年夜气压与海拔高度的关系。第二部分描述若何使悠揭捉力传感器计算海拔高度。第三部分介绍如安在一个小我导航仪如智妙手机内集成压力传感器。

1. 大年夜气压与海拔高度的关系

在小我导航仪中，MEMS压力传感器充当气压计用于测量海拔高度变更。是以，我们必须懂得不合高度的大年夜气压。

我们栖身在地球大年夜气层的底层，大年夜气压跟着海拔高度上升而降低。我们将在59 ℉时的29.92 in/Hg海平面气压规定为标准大年夜气压，这个平均值不受时光影响，而受到测量点的地舆地位、气平和蔼流的影响。

是以，压力单位之间的换算关系是:

1 个标准大年夜气压 = 14.7 psi = 76 cm/Hg = 29.92 in/Hg = 1.01325 bar = 1013.25 mbar

个中:
P0 是标准大年夜气压，等于1013.25 mbar;
Altitude是以米为单位的海拔高度。
P是在某一高度的以mbar为单位的气压

图1根据膳绫擎的公式描述了大年夜气压变更与海拔高度的关系。

图1:大年夜气压与海拔高度的关系

如图1所示，当高度大年夜海平面上升到海拔11,000米高时，大年夜气压大年夜1013.25 mbar降到230 mbar。我们大年夜图中不难看出，当高度低于 1,500米时，大年夜气压几乎呈线性降低，每100来岁夜约降低11.2 mbar，即每10来岁夜约降低1.1 mbar。为了取得更精确的高度测量数据，可以在目标应用中构建一个大年夜气压高度萌芽表，根据压力传感器的测量结不雅，肯定对应的海拔高度。

如不雅应用全量程为300 mbar到1100 mbar的绝对MEMS压力传感器，测量高度可达海拔9,165米到海平面以下698米。

2. 应用MEMS传感器肯定楼层

0.1 mbar rms的测量分辨率使MEMS压力传感器可以或许发明在1米以内高度变更。是以，在高层建筑内，可以使悠揭捉力传感器发明楼层变更。

图2所示是在意法半导体的意大年夜利Castelletto写字楼内采集到的压力传感器数据。采样速度是7Hz，数据采集时光总计大年夜约23分钟。大年夜图中我们可以清楚地看到大年夜气压在不合楼层的变更。大年夜气压在地下室最高。跟着楼层升高，大年夜气压逐渐降低。

图2:大年夜意法半导体传感沃森WSEN器原始数据取得的楼层检测结不雅

图3所示是意法半导体的一个MEMS压力传感器，这是一个采取3 x 5 x 1mm LGA-8封装的数字输出压力传感器，内置I2C/SPI接口和16位数据输出。量程是300 mbar到1100 mbar，分辨率为0.1mbar。该芯片还内置温度传感器。芯片内部控制存放器可以指导测量结不雅是高于照样低于压力极限预设值。

图3:意法半导体的MEMS压力传感器

压力传感器的测量精度会受到气流和气象前提的影响。为了取得精确、靠得住的楼层测量结不雅，须要为压力传感器开辟校准和滤波算法。

3. 在小我导航仪中应用MEMS压力传感器

在当前市情上发卖的智妙手机中，大年夜多半都内置了GPS接收器和低成本的MEMS活动传感器，例如，加快度计、陀螺仪和/或磁力计。在没有GPS卫星旌旗灯号的建筑物内或GPS旌旗灯号很弱的高楼林立的大年夜都会内，小我导航或航位推想对于导航变得异常重要。鉴于GPS接收器在户内户外测量高度都不敷精确，在智妙手机内集成压力传感器可以帮助GPS测量高度。

小我导航体系（PNS）与小我航位推想（PDR）体系类似。大年夜基来源基本理看，当无法获得GPS卫星旌旗灯号时，PNS或PDR可以在智妙手机的电子地图上持续供给方位和进步信息，引导用户达到兴趣点，获得地位接洽关系办事(LBS)。

进步信息可以来自磁力计或陀螺仪或两者的模组。PNS是应用惯性导航原收成INS）对加快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范计步器道理计算加快度计供给的测量数据而获得的方位信息。在一准时光内获得进步偏向和行进路程的信息后，导航体系在智妙手机的电子地图上更新行人在户内的方位。

3.1 PNS或 PDR构造示意图

图4所示是PNS或PDR的构造示意图。大年夜传感器角度看，该体系包含一个3轴加快度计、一个3轴陀螺仪、一个3轴磁力计和一个压力传感器。此外，在这个示意图内还有一个GPS接收器和一个主处理器。主处理器用于采集传感器数据，运行航位推想算法和卡尔曼滤波算法。
图4:PNS或PDR构造示意图

图4中每个组件的优缺点归纳如下：

· GPS接收器:
2.Honeywell International Inc. Dead Reckoning for Consumer Electronics http://www.magneticsensors.com/datasheets/Dead_Reckoning_Consumer_Electronics.pdf

长处：GPS可以供给进入建筑物前的初始方位；检索地球偏转角信息，根据地舆进步偏向修改磁力计进步偏向；当GPS旌旗灯号加强时校准计数器步长；分别向惯性导航体系的松耦合和紧耦合卡尔曼滤波算法供给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无法肯定进步偏向；无法检测高度（海拔高度）的细微变更。
· 加快度计:

长处：在静态或慢速活动状况下可用于倾斜度修改型数字罗盘；在线性加快度状况下可用于计步器的检测功能；用于检测步行人当前的状况是静止照样活动。

缺点：当智妙手机扭转时，无法大年夜地球重力组分中差别真正的线性加快度；对震动和振荡过于敏感

· 陀螺仪:

长处：可以或许向惯性导航舷持续供给扭转矩阵；当磁力计受捣鲋才时，帮助数字罗盘计算进步偏向信息

缺点：长时光的零偏漂移导致无穷的INS定位缺点。

· 磁力计:
第二步是当GPS旌旗灯号很强时校准步长。智妙手机枷⒚鹦人的平均步长的办法是，用大年夜GPS开端测量起经由的距离除以膳绫擎的计步器算法得出的步数。步行人的所有的活动类型，例如 ，慢走、快走、慢跑、快跑、高低楼梯等，都须要履行步长校准步调。不合的行人有不合的活动方法。是以，PDR与用户有关，所有的步行人都须要一个主动校准或自我练习的步长估算算法。


长处：可以或许根据地磁北极计算精确的进步偏向；可以或许用于校准陀螺仪的灵敏度。

缺点：轻易受到情况磁场干扰

· 压力传感器:


缺点：轻易受到气流和气象状况的影响。

PPS – 脉冲/秒
3.2 PNS或PDR的实现方法

有两种办法可以在智妙手机上实现PNS或PDR导航。第一种办法是应用捷联式惯性导航体系(SINS)实现PNS；第二种办法是应用计步器办法实现PDR。这两种办法都有各自的长处和缺点。

捷联惯导体系是基于一个3轴加快度计和一个3轴陀螺仪的6自由度(DOF)惯性测量单位。捷联惯导体系被胜应用于外壳刚性很强的设备内，例如，惯性测量单位被永远性安装在汽车和导弹内。该体系在短时光内的定位精度相对较高。因为低成本MEMS活动传感器的零偏漂移问题，当没有GPS卫星旌旗灯号时，经由积分和二重积分运算后，定位误差会随时光推移而变大年夜。此外，行人平妊鐾妙手机放在衣袋或挂在腰带上，他们随时都邑大年夜衣袋里或腰带上掏出手机查看当前地点方位。这就是说，智妙手机与用户身材的相对地位不固定。

不过，SINS/GPS集成化PNS体系的长处是定位与用户无关，这就是说，所有效户无需给智妙手机建模或练习智妙手机，以适应不合类型的行人的动作，例如，步行、跑步和高低楼梯等。


PDR的第一步是应用加快度计精确检测脚步。这个过程的基来源基本理是，智妙手机在行人的腰带后部无论若何放置，都能主动发明垂直主轴；然后，将加快度测量数据与第一个参考阈值比较，随后，参考阈值将根据不合的活动类型主动更新。是以，加快度计可以精确枷⒚鹦人步行、跑步和高低楼梯时的步数。

PNS – 小我导航体系
第三步是整合加快度计、陀螺仪、磁力计和GPS接收器的数据求解精确的进步信息。在估算完步长后，求解航位推想应用的另一个关键参数：以地球北极为参考点的绝对进步偏向。在一个无磁场干扰的情况内，加快度计和磁力计测量结不雅产生的倾斜度修改的数字罗盘可以或许供给以地球北极为参照点的精确的进步偏向。

在进入建筑物前，GPS陡位鹋息可以或许根据地位检索倾斜角，然后，把罗盘供给的进步偏向数据转化成地舆进步偏向信息。如不雅四周情况没有干扰磁场，可以应用磁力计的测量数值提取进步偏向信息。如不雅发明干扰磁场，陀螺仪将接替磁力计的工作，在上一次无干扰的罗盘进步旌旗灯号输出基本上供给持续的进步信息输出。
可以用下面的表达式表示大年夜气压与海拔高度之间关系:

一旦发明外界磁场干扰消掉，陀螺仪将急速停止运行，罗盘将接替陀螺仪恢复运转。这个过程被称之为陀螺仪帮助数字罗盘。当智妙手机是静止状况时，加快度计就会让陀螺仪按期更新零角速度电平以备将来应用。


第四步是大年夜压力传感器和GPS接收器获得精确的高度信息。当行人在购物中间乘坐电梯或登楼梯时，压力传感器会更新数字地图，显示行人当前地点楼层。压力传感器还能应用卡尔曼滤波器滤除加快度计的Z轴漂移。

长处：在室内导航应用中可区分楼层；当GPS卫星旌旗灯号较弱时，可帮助GPS计算高度，进步定位精确度；
第五步是开辟卡尔曼滤波算法，归并10-D传感器模组数据与GPS数据。所有的GPS接收器都有1个PPS (脉冲/秒)输出旌旗灯号，使GPS与传感器的数据传输同步，传感器的采样速度可以更快，例如50Hz或100Hz。当可以或许收到GPS卫星旌旗灯号时，卡尔曼滤波器将应用GPS输出数据计算导航信息；相反，当GPS卫星旌旗灯号被樊篱时，则应用航位推想算法输出的数据。当GPS旌旗灯号恢复时，该滤波器还能估算须要修改的传感器误差。

最后一步是在智妙手机上测试PDR的机能。对于花费电子产品，5%的行进距离误差平日是可以接收的。例如，当一小我在室内走过100米的距离时，定位误差应当在5米范围内。

4. 结论

MEMS技巧和制程的成长进步产生了低成本、高机能的MEMS加快度计、陀螺仪和压力传感器。跟着尺寸越来越小，功耗越来越低，这些产品开端在智妙手机等手持产品上演绎令人震动的新功能。
在无人驾驶飞翔器（UAV）导航体系和室内PDR应用方面，MEMS压力传感器正在引起业界的强烈存眷。跟着先辈滤波算法研发的深刻，在室内实现5%的距离误差是符合实际的。

参考文献
1.U.S. Standard Atmosphere, 1976 http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19770009539_1977009539.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:

UAV – 无人驾驶飞翔器
计步器/GPS集成化PDR体系的长处是定位精度重要取决于加快度计计步和GPS步长估算，定位误差始终是有限的。

DOF – 自由度
缩略语
GPS – 全球定位体系
IMU – 惯性测量单位
INS – 惯性导航体系
LBS – 地位接洽关系办事
MEMS – 微机电体系

PDR – 小我航位推想
SINS – 捷联惯性导航体系
LGA – 格栅阵列封装(end)