datasheet

murata村田

文章数:508 被阅读:107364

账号入驻

MEMS和无线导航“强强联手”,为手机定位保驾护“航”

2017-08-21
    阅读数:

据麦姆斯咨询报道,集成了信号调理和无线通信的MEMS传感器,构成满足极低成本、低功耗要求和最小尺寸的“微粒(motes)”。如今现代移动设备的标准功能——MEMS加速计和陀螺仪,可与绝对定位技术(如全球导航卫星系统(GNSS)或其它无线技术等)相结合,用于用户定位。


MEMS传感器的发展促成了导航的革命性变化,为无线定位技术和将此类技术融入现代智能手机提供了新功能。


此类新技术的范围涉及从使用短程红外点对点通信的简单IrDA,到点对多点通信的短程无线个人局域网(WPAN),如蓝牙和ZigBee;再到中程的多跳无线局域网(WLAN,也称无线保真或Wi-Fi);最后到长程手机系统,如GSM / GPRS和CDMA。


通过此类技术,导航本身已变得比仅为移动位置服务(LBS)问题提供解决方案更为广泛,例如“我在哪里?”或者“从起点到终点如何走?”。导航已进入新领域,如游戏、地理定位、移动地图、虚拟现实、追踪、健康监测和情景感知。


MEMS传感器现已成为现代智能手机和平板电脑不可或缺的元件。通过微加工(micro-fabrication)技术制造出微型器件和微结构,其物理尺寸范围从不到1微米(μm,100万分之一米)至几毫米(mm)。


MEMS器件的种类繁多,从没有可动且相对简单的结构,到由集成电路控制并具有多个可动结构的复杂机电系统,应有尽有。除了减少尺寸,MEMS技术还具备其它优势,如批量生产、成本降低、功耗(电压)降低、坚固性和设计灵活性。


无线传感技术允许MEMS传感器集成信号调理和无线通信单元,形成极低成本、小尺寸和低功率要求的“微粒”。基于MEMS的新型微型传感器和执行器处于开发阶段或供货阶段。


如今的智能手机传感器用到MEMS加速计、麦克风、陀螺仪、温度及湿度传感器、光传感器、接近传感器、触摸传感器、图像传感器、磁力计、气压传感器和电容式指纹传感器,此类传感器均集成于无线传感器节点。


这些传感器最初并未用于导航。比如加速计主要用于如将应用程序的显示界面进行横屏/竖屏切换。然而,这些嵌入式传感器是感知用户情景的自然选择。由于其定位能力,人们已习惯了定位生活。例如,MEMS加速计和陀螺仪可结合绝对定位技术(如GNSS或其它无线技术)用于用户定位。


智能手机的无线标准选择

多种多样的无线标准已经建立。其中,Wi-Fi、IEEE 802.11b、无线PAN、IEEE 802.15.1 (蓝牙)及IEEE 802.15.4(ZigBee)的标准已广泛用于测量及自动化应用。


所有标准均利用仪器、科学及医学(ISM)无线电波段,包括902~928 MHz(美国)、868~870 MHz(欧洲)、433.05~434.79 MHz(美国和欧洲)、314~316 MHz(日本)和2.4000~2.4835 GHz间的亚千兆赫波段(全世界均可接收)。


一般来说,较低频率会使传输范围更广,穿透墙壁/玻璃的能力更强。然而,由于低频率的特性,无线电波更容易被诸如水和树木的物料吸收;而高频率的无线电波更容易分散,但在额定功率情况下,信号的有效传输距离通过高频无线电波传播未必比低频短。


2.4 GHz波段有更宽的带宽,可容纳更多频道及频率跳变,并允许交换式波束天线。


无线保真:Wi-Fi(IEEE 802.11)是一种灵活的数据通信协议,用于扩展或替代有线局域网,如以太网。802.11b的带宽为11兆比特,运行频率为2.4 GHz。


无线保真最初是一种用于短距离无线数据通信的技术,它通常被开发为单个热点的自组织网络。无线网络是通过在有线网络边缘增加一个接入点(AP)而建立起来的。


客户端与AP的通信是通过类似以太网适配器的无线网络适配器完成的。信标帧在IEEE 802.11 Wi-Fi中传输,达到网络识别、广播网络容量、同步和其他控制及管理的目的。


所有终端的定时器都通过信标帧的时间戳信息与AP时钟同步。IEEE 802.11 MAC(媒体访问控制)协议利用了基于能量检测或信号质量的载波侦听争用。


APs的RSSs和MAC地址为位置相关信息,它可用于定位。对于移动设备的定位,通常采用基于单元的解决方案或(三角测量定位)最小二乘法及位置指纹。


蓝牙:作为一种用于短距离通信的无线协议,蓝牙(IEEE 802.15.1)使用2.4 Hz、915 MH和868 MHzISM无线电波段,以1兆比特的速度通信,最多可连接设备。主要目的是实现自组织网络功能的最大化(Wang et al .,2006)。


与Wi-Fi相比,蓝牙的总比特率较低(1Mbps),范围更短(通常为10米左右)。另一方面,蓝牙是一种“较轻”的标准,非常普遍(在大多数手机中都有)。除了IP之外,还支持其他一些网络服务。对于定位而言,标签(tags,小尺寸收发器)或低功耗蓝牙(BLE)iBeacons是很常见的。


每个标签都有可以用于定位的唯一ID。iBeacon是苹果开发的低能耗协议,兼容发射器硬件,通常称为“信标”,将其标识符传输到附近的便携式电子设备上。


该技术使智能手机、平板电脑和其他设备能够在接近同一个iBeacon时进行操作,由兼容的应用程序或操作系统所接收到的通用唯一标识符传输。


通过它发送的标识符和几个字节可以用来确定设备的物理位置、跟踪客户,或者在设备上触发一个LBS操作,比如在社交媒体上的签到或推送通知。


一种应用程序是在某个关注度较多的地点发布消息——例如商店、公共汽车站、房间或者更具体的位置(如家具、自动售货机)。这类似于以前使用的基于GNSS的geopush技术,但对电池寿命的影响要小得多且精度更佳。


另一种应用是室内定位系统,帮助智能手机确定其大致位置或情景。在iBeacon的帮助下,智能手机的软件可以找到它与iBeacon的相对位置。


iBeacon不同于其他LBS技术,因为beacon只是接收智能手机的单向发射机,需要安装在设备上的特定应用程序与信标进行交互。


因为当用户不经意经过发射机时会违背他们的意愿,这就确保了只有安装的应用程序(而不是iBeacon发射机)能够跟踪用户。定位是基于近距离传感单元的解决方案。


ZigBee:ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的一套高级通信协议,用于创建小型、低功耗数字无线电的个人局域网。


ZigBee使用ISM无线电波段:2.4 GHz(全球范围内的大部分地区)、784 MHz(中国)、868 MHz(欧洲)、915 MHz(美国和澳大利亚)。数据率从20 kbit / s(868 MHz频段)到250 kbit / s(2.4 GHz 频段)不等。


ZigBee增加了网络、安全性和应用程序软件,旨在比其他无线个人域网(如蓝牙、Wi-Fi)更简单、更经济。归功于低功耗和简单的网络配置,ZigBee最适合于传感器或输入设备的非连续性数据传输。


主要应用包括无线电灯开关、家用电表显示、交通管理系统和其他需要短距离低速率无线数据传输的工业设备。


距离仅限10米到100米,视功率输出和环境特性而定。ZigBee定位技术通常使用信号强度测量(基于RSS的定位),结合最小二乘法(三角测量定位法)和指纹识别。


三种标准的比较


下表比较了最适合无线传感器网络的三种无线标准。这些标准还解决了无线传感器的网络问题。三种类型的网络(星型、混合型和网状型)已完成开发和标准化。

Wi-Fi、蓝牙和ZigBee的比较


蓝牙使用星型网络,由微微网(piconets)和散射网(scatternets)组成。每个微微网将一个主节点连接到七个副节点,而每个散射网连接多个微微网,形成一个自组织网络。


ZigBee使用的混合星网,具有路由功能的多个主节点连接到没有路由功能的副节点。最有效的网络技术使用对等网格网络,它允许网络中的所有节点具有路由功能。网状网络允许自动节点自组装到网络中,并允许传感器信息在扩展范围内以高可靠性传播。


它们还允许网络中的“侦听器”具备时间同步和低功耗,从而延长电池寿命。当大量的无线传感器需要联网时,不同级别的网络可能会相互结合。


例如,由高端节点(如网关单元)组成的IEEE 802.11(Wi-Fi)网状网络,可以在ZigBee传感器网络上覆盖,以维持高水平的网络性能。


远程应用程序服务器(RAS)也可以部署在定位传感器网络附近来管理网络,收集定位数据,管理基于web的应用程序,通过GSM / GPRS和基于CDMA的调制解调器远程访问移动网络。同时,访问互联网和远程用户。


评估方法


最常见的三种定位估计方法是基于基站的定位(cell-of-origin, CoO)、(三角测量定位)最小二乘法和定位指纹,定位精度以及优缺点各自不同。


三种方法提供了不同程度的精度,从几分米到数十米。相比于(三角测量定位)最小二乘法和定位指纹,CoO的操作原理是最直接和最简单的。但其缺点是需求大量设备或接收器,以及它们在动态环境中的性能偏弱。


所有这些技术都提供了绝对定位的能力。但是如果没有可用信号的覆盖或信号不可用,就会丢失位置修正。


因此,与其他技术相结合,以搭建无线信号锁定导致的损失(例如没有GNSS接收)的桥梁是必需的。在智能手机中,运动传感器可以用于惯性导航。在本文中,这些传感器也被称为惯性传感器。


在最简单的情况下,可以通过航位推测法对惯性传感器的相对测量值得到位置信息。例如,加速度计可以在行人行走时计算步数,而陀螺仪和磁力计可以提供运动方向。因此,这些传感器在导航解决方案上取得了重大的进展。


MEMS位置传感器


对于许多导航应用来讲,单单精度和性能提高并不一定是最重要的问题,而是在降低成本和尺寸的情况下满足性能要求。


特别是,小型导航传感器可以将引导、导航和控制功能增加到应用中,这在以前是认为无法实现的。在这种情况下,尺寸小、耐用、成本低和重量轻的MEMS陀螺仪和加速计非常可能且将用于惯性制导系统——在没有MEMS之前,这些都是无法想象的。


然而,传感元件尺寸的减小,为获得良好的性能带来了挑战。一般来说,MEMS惯性测量单元(IMUs)的性能仍然受到陀螺仪性能的限制,典型值在10到30 deg/h之间,加速度计性能不是限制因素,加速度计的精度可达数十μg或更好的性能。


MEMS一直在高精度、军用质量级别的征途中前行


MEMS加速度计:MEMS加速度计有扭摆式/位移质量型和谐振型。前者采用闭环电容感应和静电力,后者则采用共振操作。


两者都以两种主要的方式检测加速度:加速度下位移或柔性支撑质量块变化产生的电容变化或压电读数,或由张力改变引起的振动部位的频率变化(来自抗震质量块的负重)。


扭摆式加速度计满足从1 mg到25 μg的军用级别的性能要求。谐振型加速度计或振梁式加速度计(VBAs)可以达到1 μg的更高性能要求。


MEMS陀螺仪:对于MEMS惯性导航系统来说,获得合适的陀螺仪性能比加速度计更难实现。MEMS陀螺仪属分为四类:振动梁、振动板、环形谐振器和抖动加速度计。


陀螺仪通常是为混合解决方案制造的,传感器和ASIC是两个独立的芯片。所有振动陀螺仪都是基于科里奥利力的工作原理。


如果质量块在飞机上正弦状态震动,这架飞机以旋转角速率Ω,科里奥利力会引起质量块垂直于框架呈现正弦振动,角速率Ω与振幅成正比。


测量科里奥利力,则得到角速率Ω信息。这种速率测量是所有石英和硅微加工的基本原理。


这些陀螺仪通常被设计成电信号驱动的谐振器,通常由一片石英或硅制成。输出经解调、放大和数字化。它们的体积极小,集合硅的优势,使其成为超高加速度应用领域的理想选择。


对于纯粹的表面微机械陀螺仪,考虑到它们的小尺寸和电容,单片集成是值得考虑的选择,成本不高,但性能尚可。


惯性测量单元组合(IMUs):由于高性能的小型陀螺仪制造难度大,因此对所有加速度计系统关注度增加,也被称为无陀螺系统。通常使用两种方式。第一种是首先利用科里奥利效应。通常,三对单片MEMS加速度计在振动(或旋转)结构上抖动。这种方法能够检测出角速率Ω。第二种是加速度计被放置在固定位置,用来测量角加速度。


在这两种方法中,加速度计也测量线性加速度,一个完整的导航解决方案得以实现。然而,在直接的方法中,需要进行一个更集成的步骤,使得它更容易受到偏差变化和噪声的影响,因此输出错误比使用传统IMU的增长速度要快得多。


然而,这些设备只提供军用级别的性能,并且在GNSS辅助应用程序中非常有用。导航级全加速度计IMU的概念要求加速度计在远距离仍能精确到纳米级甚至更高。


GNSS不适用的环境下,使用全加速度计导航可能需要增加其它的绝对定位技术。通过将平面(x轴和y轴)和另一个平面(z轴)传感器的集成在一颗芯片上,可进一步减小传感器的尺寸。此类多轴陀螺仪和加速计芯片组合的IMUs尺寸可减小到0.2 cm^3。


气压传感器:在智能手机和其他移动设备中嵌入的气压传感器要求尺寸小、成本低和准确度高。压力传感器的关键元件是包含压阻器的隔膜,它可以由离子注入或扩散形成。


压力施加在隔膜,从而改变压阻器的电阻。通过惠斯通桥上的压阻器,产生电压输出信号。压力传感器的测量灵敏度是由膜片底部平面的应变决定的,因此更大的应变会导致更高的灵敏度。


这些高度计越来越多地用于智能手机和其他导航系统。例如,他们可以让用户确定高度,以确定多层建筑物的正确楼层。


行人航迹推算(PDR):在移动设备中嵌入的MEMS加速计可以通过加速度推算行走距离,磁力计和陀螺仪获得用户的方向。从已知位置开始,由GNSS或其他绝对定位技术决定,用户的当前位置可以用惯性传感器的观测来预测。


PDR技术与其他定位技术不同,因为位置总是基于先前的位置计算,与实际位置无关。PDR可以提供最佳的位置信息,但也会出现重大的累积误差,如复合、乘积或指数误差。由于许多因素如速度和方向都必须准确地确定,才能确保每时每刻的位置信息准确。


PDR的准确性可以通过使用其他更可靠的方法——GNSS或另一种绝对定位技术如Wi-Fi——来显著提高,与惯性传感器的结合可实现更可靠和准确的导航。


高度测量:对于导航来说,确定用户的高度非常重要,如在多层建筑中确定正确的楼层。气压传感器可以提供此类数据,同时可扩展通常只能提供可靠2D定位的惯性传感器。


此外,只要有3颗GNSS卫星给出2D定位精度,压力传感器即可帮助实现3D定位。


带有气压传感器的高度测量仪可从给定的起始高度,完成相对测量,如从建筑物外部的GNSS得到给定高度作为室内环境的已知高度值。


当用户在建筑物内行走、爬楼梯或乘电梯到其他楼层时,使用压力变化及高度差间的换算关系即可计算出空气压力差。


为计算高度差的气压转换,两个位置的温度平均值也是需要的;MEMS红外温度传感器越来越多地出现在智能手机上提供此类数据。


活动探测:低成本惯性及运动传感器为动态活动模式推测提供了新平台。人体活动识别的目的是通过一系列对用户身体及环境的观察来识别一个人的动作。


单一的双轴加速度计可对六种活动进行分类:行走、跑步、坐、爬楼梯和站立。


直至近日,穿戴式传感器已用于活动探测,但将其用于智能手机的收集数据及活动识别的研究还比较少。


智能手机加速计可识别如下图三轴方向上的加速度,因此可确定不同运动过程。

智能手机坐标系(左)及全球水平坐标系(右)


若在向前运动中水平手持智能手机,则其y轴上的加速度就会产生。在加速运动时,可采用两种方法来测量线性位移:将加速度/步数探测器与步长估算相结合。


在第一种情况中,从理论上计算运动里程,可以通过整合一次加速度和两次距离来实现。


然而,由于双集成,信号中的任何错误都将迅速传播,因此,从加速度计接收到信号的漂移在几秒钟内就会使集成电路无法工作。


当脚在一小段时间内静止时,速度就会在每一步之间重置为零,零速度更新(ZUPT)技术可以克服这一问题,可以使每步中产生的任何错误都不影响后续计步。由于ZUPT是利用脚步间的固定时间来计算的,所以只有当加速度计位于脚上时,才可使用ZUPT。


在第二种情况中,通过处理垂直加速度的波动计算步数,从而得出运动里程,每步都过零两次。当获得步数和步长时,距离就可以用乘法来计算。


下图显示,针对在z轴上记录用户步行加速度,选出有显著性的最大值和最小值便可记录步数。对智能手机局部坐标系统x、y、z轴的重力效应进行校正,是正确确定加速计导航运动里程的关键。MEMS三轴加速计允许设备检测沿三个轴的力,以完成基于预定义配置的特殊功能。

步行用户加速计z轴数据的典型记录


移动设备可通过此方式来确定方位:运动或前进方向在其中一个轴是一致的(例如y轴),正x轴向右和正z轴向上。当y轴水平时,重力作用将全部体现在z轴。


然而,手机很可能被用户放在口袋或包里。因此,大多数现有的步数探测算法都不能直接使用,必须将加速度计的方位考虑在内。由于手机可以在任意方位放置,观察加速度计才可确定哪个轴是最垂直的。


轴心的加速直接指向地心,相当于1 g重力。因此,若智能手机平躺在桌子上,显示屏一侧朝上,则理论上在加速计的z轴方向会有1000 mg。


如果手机在某人的口袋里倾斜放置(不在单个轴上),那么它就会低于1000 mg。因此,为了确定加速度计最垂直的轴,取最后30个样本的平均值,或在1.2秒内测算三个轴中哪个轴的绝对值最接近于1 g,那么这个轴就是最垂直的轴。


系统比较


下表比较了移动设备中最常用的位置传感器和系统,根据其定位能力(绝对或相对)及其类型进行分类。混合解决方案是一种有意义的组合,将为移动智能手机用户的定位提供最佳性能。

移动设备中最常用的位置传感器及系统的规格


结合MEMS和无线导航:对于大多数室内导航系统,MEMS传感器和无线导航的组合提供了最佳解决方案。随时间推移,定位误差不断累积,MEMS传感器可以提供相对定位信息。在当地或全球的坐标系中,无线导航系统则可提供绝对位置信息,不需要整合过去的测量信息独立估算。两种技术的结合可利用二者优势,形成更强大的定位解决方案。


结论


随着位置感知设备的日益普及,推动了GNSS在“困境”中(如地下隧道或室内环境中卫星信号丢失)对定位能力的需求。没有任何单一的传感器或无线技术能够满足大众市场应用对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种方法。但是在GNSS“困境”中,高性能定位“飘忽不定”,因此,更高的性能水平需要从MEMS和无线技术中获益。


来源:麦姆斯咨询 


推荐阅读


直击IOTE2017:村田RFID技术吸引眼球!

【每日一问】陶瓷电容器用陶瓷材料的物理常数

【每日一问】MLCC的故障模式是?

RFID技术在隐私保护的应用

2017声波传感器市场报告

近距离无线通信/存储用晶体谐振器

收藏,39种电子元器件的检验要求与方法

【每日一问】温度造成的振荡频移似乎不正常。原因是什么?

【科普】射频技术RFID相关标准解析

【每日一问】手工焊接独石陶瓷电容器是否会产生问题?此外,手工焊接时有哪些注意事项?

【案例演示】使用RFID技术的物流仓库管理系统

0Ω电阻的12种妙用

【每日一问】请介绍如何获得陶瓷电容器的详细规格表

RFID技术在汽车生产线的应用模式研究

演绎RFID技术无限可能,村田亮相2017第九届深圳国际物联网博览会

使用EDLC的SSD(Solid State Drive)的断电措施

村田DK1系列Y1安全规格认证SMD陶瓷电容器

什么是NB-IoT?什么是LTE Cat M1?

【下载】片状电感器(片状线圈)产品目录

可在125℃状态下连续使用的车载用高耐热薄膜电容器FH系列

长按二维码
关注我们

欢迎加入村田技术交流群





微信群已满百人,请扫描以下二维码申请入群


About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: TI培训

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2018 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved