手機內置運動(dòng)、氣壓傳感器已經(jīng)普及 兼顧精度、體積、系統優(yōu)化
“目前手機導航主要還是依賴(lài)GPS和WIFI，而在隧道或高密度環(huán)境下，這些信號強度弱，或是直接丟星，無(wú)法進(jìn)行導航。此時(shí)，實(shí)際是可以依靠手機里的MEMS傳感單元的。” ADI亞太區微機電產(chǎn)品市場(chǎng)與應用經(jīng)理趙延輝說(shuō)，眾所周知，目前智能機里都集成了眾多MEMS傳感器，比如加速度計、陀螺儀、磁力計、氣壓計等。在沒(méi)有GPS信號的情況下，可以依靠陀螺儀來(lái)判斷方向的變化，可以利用加速度計來(lái)判斷速度和位移的變化。但手機里面所用的加速度計和陀螺儀都是消費級產(chǎn)品，無(wú)論是瞬時(shí)精度、積分精度還是長(cháng)期穩定性都較差，這是受器件的功耗、體積和封裝的限制。
ADI亞太區微機電產(chǎn)品市場(chǎng)與應用經(jīng)理 趙延輝
他進(jìn)一步分析，一般體積和功耗越小，器件的精度會(huì )越差，這是設計上的權衡。說(shuō)到封裝，一般手機里用的都是塑料封裝，這是受成本的限制，塑料封裝對外部環(huán)境敏感，比如溫濕度以及壓力的影響。以判斷方向的陀螺儀為舉例，陀螺儀有長(cháng)時(shí)間的零點(diǎn)漂移，那么在你積分換算角度的時(shí)候就會(huì )有行駛誤差，如前面提到的，對于手機里用的塑料封裝MEMS陀螺儀，它受外部的環(huán)境影響很大，隨著(zhù)時(shí)間的變化，這個(gè)零點(diǎn)漂移會(huì )越來(lái)越大，所帶來(lái)的誤差也就越來(lái)越大。再比如過(guò)減速帶的時(shí)候，會(huì )有上下的顛簸，這時(shí)又有兩個(gè)指標會(huì )影響行駛方向的判斷，一個(gè)是陀螺儀對加速度的敏感度，也就是在加速度變化時(shí)，會(huì )對陀螺的輸出帶來(lái)多大的影響；還有一個(gè)是交叉軸敏感度，也就是汽車(chē)在上下顛簸時(shí)，實(shí)際行駛方向也會(huì )受到影響。要提升這些精度，需要更高精度的MEMS傳感器。除此之外，與地圖匹配運行會(huì )是非常重要的，如果軟件做的好，運行軌跡與地圖完全匹配的時(shí)候，會(huì )對MEMS傳感器的要求降低。這是因為在汽車(chē)轉彎的時(shí)候，不太可能每隔幾度就有一個(gè)彎道，而且這些彎道都在同一點(diǎn)，大部分情況下，一個(gè)轉彎點(diǎn)上只有2-4個(gè)彎道，這時(shí)角度再出現些許偏差，就沒(méi)有那么的嚴重。
在傳感器達到一定的精度和尺寸的基礎上，系統優(yōu)化成為關(guān)鍵。Bosch Sensortec亞洲市場(chǎng)及業(yè)務(wù)發(fā)展總監嚴更真接受?chē)H電子商情采訪(fǎng)時(shí)表示，目前，以博世最新的傳感器解決方案為例，傳感器本身的精度、各種應用場(chǎng)景下的功耗、尺寸都已經(jīng)達到了非常高的水準，不是影響室內導航應用的瓶頸。我們目前創(chuàng )新的重點(diǎn)放在針對具體應用場(chǎng)景下的系統最優(yōu)解決方案。比如針對當前熱點(diǎn)的智能手機、可穿戴、無(wú)人機、虛擬現實(shí)(VR)、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、導航等熱門(mén)應用領(lǐng)域，博世傳感器均從整個(gè)系統架構最優(yōu)化的角度推出創(chuàng )新的解決方案。
針對當前利用手機導航的幾個(gè)痛點(diǎn)，比如導航的流暢度和利用GPS導航的電池續航能力問(wèn)題，博世傳感器也推出了創(chuàng )新性的解決方案。如博世的智能傳感器中樞產(chǎn)品 BHI160, 利用其硬件內置的Always-on傳感器算法，可以以微安級的電耗實(shí)現如計步器、動(dòng)作識別、狀態(tài)識別等算法，既分擔了主應用處理器的運算量又降低了整個(gè)系統的功耗；另一方面BHI160與GPS結合，可以在保證連續導航體驗的情況下大幅減少GPS模塊工作的時(shí)間，從而顯著(zhù)降低整機的功耗。該方案無(wú)論在室內導航還是室外導航的情況下，都能顯著(zhù)提升導航的性能與電池續航能力。
為進(jìn)一步提高的導航體驗，相對高度的識別也非常重要。大氣壓力傳感器（高度計）的性能及其與GPS的配套解決方案是關(guān)鍵。利用博世的最新大氣壓力傳感器BMP280及BMP380, 可以在爬樓梯或乘坐電梯等場(chǎng)景下，非常高精度的識別樓層、高度等。大氣壓力傳感器與GPS的結合，能夠提升室內與室外的立體定位的性能。大氣壓力傳感器可以讓二維平面導航升級為三維立體導航。根據市場(chǎng)報告，博世氣壓傳感器在全球手機市場(chǎng)的年出貨量超過(guò)3億顆，在全球市場(chǎng)占有決定性的市場(chǎng)份額。這為進(jìn)一步提升手機導航的體驗、三維立體導航服務(wù)的提供奠定了非常好的硬件基礎。
與其他定位技術(shù)融合
“由于半導體電子技術(shù)本身的特點(diǎn)，單獨利用MEMS傳感器進(jìn)行室內定位的挑戰是絕對位置的確定及誤差積累等問(wèn)題。GPS也有信號干擾、信號不能完全覆蓋等弱點(diǎn)，多技術(shù)的融合是必然趨勢。但好的一方面是，當前的智能手機中GPS、WIFI、藍牙的配置也很普及。如何把這些現有的資源整合成一個(gè)解決方案是目前業(yè)界努力的方向。”嚴更真分析，我們看到，室內定位解決方案目前分兩個(gè)層面，即：同一樓層內的位置定位與多層建筑內的樓層及高度識別。
Bosch Sensortec亞洲市場(chǎng)及業(yè)務(wù)發(fā)展總監嚴更真
室內定位及相關(guān)技術(shù)可以用于在沒(méi)有GPS信號或者GPS信號不夠好的情況下，大型商業(yè)建筑內的室內導航、大型高層樓宇內救援定位、及GPS信號不好的車(chē)庫及隧道內的慣性導航等，以及基于上述場(chǎng)景的相關(guān)服務(wù)。
目前嘗試進(jìn)行室內定位的解決方案有多種，由于內置９軸運動(dòng)傳感器及大氣壓力高度計的智能手機已經(jīng)非常普及，基于手機內的運動(dòng)及高度傳感器進(jìn)行部署的室內定位方案從經(jīng)濟性和可行性方面更好。
為了達到良好的用戶(hù)體驗，室內定位系統對MEMS傳感器本身的性能、多MEMS傳感器的融合算法、MEMS傳感器與GPS及其他解決方案的配合與集成都非常重要。除此之外，室內定位還要考慮的一個(gè)重要方面是整機系統的功耗問(wèn)題。
室內定位的應用場(chǎng)景很多，比如說(shuō)消防員的室內定位、礦工的井下定位、商家的精準推送、運營(yíng)商的室內信號強度測試、室內機器人應用等。趙延輝認為，對傳感器的要求是既要有短時(shí)的噪聲精度，還要有較長(cháng)時(shí)間的積分精度，更要有長(cháng)期的穩定性。目前的定位精度取決于是否采用了其他的定位技術(shù)，比如Wi-Fi, BEACON, RFID等，如果整合多種定位技術(shù)，定位精度可達1米甚至厘米級。單純以MEMS傳感器來(lái)看，也要考慮都整合了什么MEMS傳感器，實(shí)際使用場(chǎng)景的溫度變化如何，磁場(chǎng)干擾如何，振動(dòng)如何，佩戴該模塊的人/物體的運動(dòng)速度如何，是否有運動(dòng)規律等，以及實(shí)際的軟件算法如何。以ADI的一個(gè)帶算法的慣性感測單元ADIS16480為例，它能提供運動(dòng)物體的角度信息，俯仰角、滾轉角的靜態(tài)精度可達0.1度，航向角的靜態(tài)精度可達0.3度。而動(dòng)態(tài)精度分別是0.3度和0.5度。至于位移，一般沒(méi)有運動(dòng)規律可循的物體，其誤差會(huì )受運行時(shí)間和運動(dòng)距離的影響，好的可以做到5分鐘內，<1m的精度。對于有運動(dòng)規律可循的物體運動(dòng)，主要受運動(dòng)距離的影響，一般可以做到<0.5%的誤差。
趙延輝解析，很多迫切的應用場(chǎng)合沒(méi)有辦法預建BEACON和WI-FI等設備，比如說(shuō)在救火時(shí)，消防員進(jìn)入火場(chǎng)，只能依靠自身所帶設備和在火場(chǎng)外圍迅速搭建的參考通信點(diǎn)，這時(shí)依靠室內預設的BEACON和WI-FI設備幾乎是不可能的。那么此時(shí)，自身所帶設備里的MEMS傳感器就變成了至關(guān)重要的一個(gè)參數，當然如果是機器人，那可能還會(huì )用到編碼器和激光導航等，而支持這些導航方式的高精度傳感器，目前都是價(jià)格不菲，少則上百美金，多則上萬(wàn)美金，所以?xún)r(jià)格是限制室內導航應用推廣的一個(gè)主要因素。另外就是室內導航需要融合多種傳感技術(shù)、且對算法要求較高，如果沒(méi)有積累，很難一蹴而就，技術(shù)門(mén)檻很高。
MEMS的優(yōu)勢是在需要室內導航定位時(shí)，不需要預設參考點(diǎn)，隨時(shí)可用。且其體積小、重量輕、功耗低、耐沖擊、魯棒性好、啟動(dòng)時(shí)間快、且價(jià)格適中。劣勢是各種MEMS傳感器的使用都有一定的局限性，比如加速度在算速度和位移時(shí)會(huì )有積分誤差，無(wú)法區分重力分量的變化和實(shí)際加速度的變化；陀螺儀在算角度變化時(shí)也會(huì )有積分誤差；磁力計會(huì )受磁場(chǎng)干擾，比如建筑里的鋼筋；氣壓計在火場(chǎng)等情況下，會(huì )對高度產(chǎn)生誤判等。未來(lái)，多種技術(shù)融合會(huì )是大勢所趨，而且很有可能利用SIP的技術(shù)，將多種技術(shù)融合到一顆器件里面，這樣來(lái)幫助室內導航應用實(shí)現小型化、便攜化和低成本化。
ADI的MEMS傳感器在室內定位方面已有很多成功應用案例，包括消防員的室內定位，機器人的室內定位，駕考汽車(chē)在隧道內的輔助定位等等。ADI既可以提供核心的MEMS器件，比如高精度的加速度計ADXL355，ADXL203，ADXL350和高精度的陀螺儀ADXRS642，ADXRS646，ADXRS290等；又可以提供整合了多個(gè)MEMS傳感器的慣性測量單元，比如ADIS16448，ADIS16488，ADIS16460等；還可以提供帶算法輸出的ADIS16480模塊。
近幾年，室內定位市場(chǎng)需求持續高速增長(cháng)，由于受價(jià)格和技術(shù)的局限，還沒(méi)有爆發(fā)。ADI的MEMS傳感器在工業(yè)級機器人應用和對可靠性要求較高的場(chǎng)合比如消防員、輔助駕考系統中的應用還是占主導地位，出貨量在百K級別。
