MEMS传感器包含加速度计（ACC）、陀螺仪（GYRO）、磁力计（MAG）、压力传感器（PS）和话筒（MIC）。由于低成本，小尺度，低功耗，高功用，MEMS传感器近几年来被集成到便携设备内。
快速的CPU、多任务处理的操作体系、高灵敏度GPS接纳器、3G / 4G无线通信芯片组、高分辨率数字摄像头、触摸屏LCD显现屏和大容量存储器是智能手机的一起特性。MEMS传感器的用处不再局限于当时的运用领域，例如，屏幕旋转、省电、运动检测、数字罗盘和3D游戏。现在导航厂商正在开发更先进的MEMS传感器运用，例如，增强实境（AR）、定位服务（LBS）、行人航位核算体系（PDR）。
本文将论说MEMS传感器在先进移动运用中的效果，例如，移动增强实境（MAR）、定位服务（LBS）和运用航位核算法确认方位的MEMS传感器与GPS接纳器整合解决计划。
1.增强实境
增强实境（AR）不是一个新论题。依据界说，增强实境是在一个实时显现的实在环境上叠加图形、声响和其它感知强化技能并使其具有互动性和可操纵性的功用或用户界面。在一个实在环境内融合3D虚拟信息有助于前进用户对虚拟方针周围环境的实在感。
最近增强实境技能呈现了几个成功的运用事例。例如，轿车安全设备把路况和轿车周围状况的信息投射到前档风玻璃上，让驾驶员对轿车地点方位有一个全面了解。另一个运用示例是把智能手机对准一个方位已知的方针，例如饭馆或超市，手机就会显现所指方针的信息。此外，假如你身处一个生疏的大城市，这个功用还能帮忙你找到最近的地铁站，只需把手机旋转360度，即可确认地铁道路，沿所指方向抵达意图地。
交际网络在现代人的日子中扮演着重要效果。当一个人挨近一个购物中心时，他能够用手机指向购物中心。然后，他的朋友将会收到经过数字处理技能强化的他地点方位和周边环境的虚拟信息。反之亦然，他也会收到他朋友的方位和周边信息。因而，增强实境是一种改动人们对实在国际的感觉的新办法。
由于智能手机商场高速增加，移动设备开端鼓起增强实境运用。图1所示是在智能手机内完成移动增强实境所需的要害组件。
图 1： 智能手机的移动增强实境体系结构
•数字摄像头：用于传送实在国际环境的信息流，并在液晶触摸屏上显现捕获的视频。现在新款智能手机上已装备500万像素或更高分辨率的成像传感器。
•CPU、手机操作体系、用户界面和软件开发工具：这些是智能手机的中心组件。现在新的智能手机装备1GHz以上的双核CPU、512MB RAM内存和32GB存储器。在运用开发过程中，用户界面和软件开发工具（SDK）让开发人员轻松地调用运用程序接口，拜访图形、无线通信功用、数据库和MEMS传感器原始数据，无需知道这些代码背面的具体原理。
•高灵敏度GPS接纳器或A-GPS或DGPS：当捕获到有用的卫星信号时，这些模块用于确认用户当时的经纬度方位。多年来人们一直在研讨前进GPS接纳机在室内和楼房树立的区域的接纳灵敏度和定位精度，由于在这类区域卫星信号变弱，并产生多信道搅扰过错。
•无线数据传输接口，包含GSM/GPRS、WiFi、蓝牙和RFID：无线数据接口的首要意图是接入互联网，检索当时方位方针的在线数据库，在等候GPS定位或没有GPS信号时供给扼要的定位信息。假如建筑物内预装了发射器，其它的近间隔无线连接如WLAN、蓝牙和RFID也能够供给精度恰当的室内定位信息。
•本机或在线数据库：用于把增强的虚拟方针信息叠加到实在国际视频上。当方针与当时方位吻合时，体系将能从本机数据库或在线数据库检索方针的信息。然后用户能够点击触摸屏上的超级链接或图标，接纳愈加具体的方位信息。
•内置数字地图的液晶触摸屏：供给高分辨率的用户界面，显现含有虚拟方针信息的实在国际的视频。有了数字地图，用户能够知道当时方位地点大街称号，无需配戴任何特别的3D眼镜。
•MEMS传感器（加速度计、磁力计、陀螺仪和压力传感器）：这些传感器是自导式组件，随时随地作业。由于低成本、小尺度、轻量、低功耗、高功用，它们成为行人航位核算运用的首选半导体产品。这些传感器与GPS接纳器集成在一起能够在室表里获得方位信息。下面的内容将讨论这些传感器在前进室内导航精度中所扮演的重要人物。
随时随地获取准确且牢靠的方位信息，使虚拟方针与实在国际的环境坚持一致，是移动增强实境运用面对的首要应战。
2. 室内方位检测
尽管智能手机内置一个GPS接纳器，在户外的定位功用十分不错，在数字地图上显现航向，可是，某些GPS接纳机在室内或楼房树立的城区无法接纳卫星定位信号。即使在户外，当轿车或行人停止时，GPS也无法供给准确的方位或航向信息。GPS无法区别细小的高度改变。此外，GPS仅凭一个天线无法为手机或轿车用户供给姿势信息，例如，俯仰/滚转/航向信息。
差分全球定位体系 （DGPS）能够获得几厘米的定位精度；可是需求另一个GPS接纳器做基站，运用某一种间隔粗捕获码向移动GPS接纳器发射参阅方位信息。辅佐全球定位体系 （A-GPS）在某种程度上有助于GPS获得室内定位信息，可是，无法在能够承受的间隔内供给准确的定位信息。当手机用户停止时，至少需求三个GPS天线才可能让GPS检测到用户的姿势信息。不过，现在在一个智能手机上装置多个GPS天线仍是行不通的。
因而，仅有GPS的智能手机不能为手机用户供给准确的方位和姿势信息。自导式MEMS传感器是帮忙GPS完成一体化导航体系、供给室表里LBS定位服务的抱负挑选。
当天线没有被遮挡时，现代的GPS接纳器的肯定定位精度是3米到20米，这个参数不会在一段时期后产生漂移。依据MEMS传感器的捷联式惯性导航体系（SINS） 可在很短的时刻内供给准确的定位信息，可是，依据运动传感器的功用，这种导航体系在运用一段时刻后很快就会产生精度漂移现象。行人航位核算体系（PDR）是一个依据步长和方位核算从室内已知初始方位开端的行走间隔的相对导航体系，尽管定位精度不会随时刻推移而产生漂移，可是需求在受磁力搅扰的环境内坚持航向精度，此外，GPS需求对步长进行校准，才干到达能够承受的定位精度。
依照捷联式惯性导航体系（SINS）理论，依据内涵的差错漂移和份额因数，惯性传感器（3轴加速度计和3轴陀螺仪）可分为三大类：导航级、战术级和商用级。经过下面的两个方程式［1］，能够核算出独立的加速度计和陀螺仪的水平方位差错。
加速度计的方位差错：
（1）
其间：
ACC_bias … 加速度计长时刻差错稳定性，单位：mg；g = 9.81m/s2
T … 两层积分周期，单位：秒
PE_ACC … ACC_bias形成的方位差错；单位：米。
陀螺仪的方位差错：
（2）
其间：
g … 地球重力，9.81m/s2
GYRO_bias … 陀螺仪长时刻差错稳定性，单位：rad/s
T … 两层积分周期，单位：秒
PE_ACC … GYRO_bias形成的方位差错；单位：米。
以上两个方程式可用于核算典型惯性传感器的功用和长时刻差错稳定性引起的水平方位差错。当惯性传感器与GPS集成在一起时，这些差错不会随时刻推移而扩展，其它引起方位差错的要素，如失匹、非线性和温度影响，也应在核算中给予考虑。
最近在MEMS制程上获得的前进让 MEMS加速度计和陀螺仪能够接连地供给更高的定位功用，使商用级的产品愈加挨近战术级产品的功用。在较短的时刻如1分钟内，独立的加速度计和陀螺仪可获得相对较高的丈量精度。当GPS信号受阻时，这关于GPS/SINS一体化导航体系很有用。
关于消费电子产品，室内行人航位核算体系5%的跋涉间隔差错通常是能够承受的。例如，当一个人走过100米的间隔时，定位差错应该在5米范围内。这要求航向差错在 ±2°到±5°之间［2］。例如，假如航位差错是2°，当一个人走过100米的间隔时，定位差错应该在3.5米范围内 ［= 2*100m*sin（2°/2）］。
此外，MEMS压力传感器能够丈量相关于海平面的肯定气压。因而，MEMS传感器能够确认手机用户在海平面以下 600米到海平面以上 9000米之间的高度，辅佐GPS的高度丈量［2］。图3所示是运用MEMS传感器与GPS接纳器的行人航位核算体系结构图。
图 3： 移动设备行人航位核算体系结构图
3. MEMS传感器整合
传感器整合是一套数字滤波算法，用于批改每个独立传感器的缺点，然后输出准确的呼应快速的动态的（俯仰/滚转/偏航）姿势丈量成果。传感器整合的意图是把每个传感器的丈量数据作为输入数据，然后运用数字过滤算法对输入数据进行彼此批改，最终输出准确的呼应快速的动态的姿势丈量成果。因而，航向或方位不受环境磁搅扰的影响，没有陀螺仪的零偏漂移问题。
能够批改倾斜度的数字罗盘是由一个3轴加速度计和一个3轴磁力计组成，可供给以地球北极为参阅的航向信息。可是这个航向信息简单遭到环境磁力的搅扰。假如装置一个3轴陀螺仪，开发一个9轴传感器整合解决计划，则能够随时随地坚持准确的航向信息。
在规划一个运用多个MEMS传感器的体系时，了解下表所列的每个MEMS传感器的优缺点是很重要的。
•加速度计：在静态或慢速运动状况下可用于倾斜度批改型数字罗盘；可用于计步器的检测功用，检测步行人当时的状况是停止仍是运动。不过，当体系在3D空间停止时，加速度计无法区别真实的线性加速度与地球重力，而且简单遭到轰动和振动的影响。
•陀螺仪：能够接连供给从体系载体坐标到部分地球水平坐标的旋转矩阵，当磁力计遭到搅扰时，陀螺仪可辅佐数字罗盘核算航向数据。长时刻的零偏漂移导致无约束的姿势和定位过错。
•磁力计：可核算以地球北极为参阅方向的肯定航向，而且可用于校准陀螺仪的灵敏度，但容量遭到环境磁场的搅扰。
•压力传感器：在室内导航时，压力传感器可告知你身处哪一楼层，辅佐GPS核算高度；当GPS信号变弱时，辅佐GPS前进定位精度，可是简单遭到气流和天气状况的影响。
依据以上各方面考虑，卡尔曼滤波器是最常用的整合不同的传感器输入信息的数学办法。这种办法权衡不同的传感器的效果，给功用最高的方面最高权数，因而，与依据单一前言的导航体系比较，卡尔曼滤波器算法的预算成果更准确牢靠 ［3］。
现在依据四元数的扩展型卡尔曼滤波器（EKF）是一个很受欢迎的传感器整合计划，由于四元数只有4个元素，而旋转矩阵有9个元素，此外，四元数法还避免了旋转矩阵的特别问题 ［3］。
4.定论
随时随地准确认位是增强实境等先进移动运用面对的首要应战，由于增强实境与行人航位核算（PDR）或定位服务（LBS）的关系密切。鉴于GPS接纳器的接纳约束，MEMS传感器对室内行人航位核算运用很有吸引力，由于这些传感器大多数现已呈现在智能手机内。
要想获得5%的室内行人航位核算定位差错，需求开发MEMS传感器整合算法，以批改每个传感器的缺点，使这些传感器完成优势互补。跟着MEMS传感器的功用不断前进，在不远的将来，与用户无关的SINS/GPS一体化导航体系将会成为智能手机的规范装备。
5.参阅文献
1.A. Lawrence， Modern InerTIal Technology： NavigaTIon， Guidance， and Control， ISBN： 978-0387985077 （hardback）， 0387985077 （electronic）， 1998
2.STMicroelectronics， Inc.
J. Esfandyari et al， MEMS Pressure Sensors in Pedestrian NavigaTIon， Sensors Magazine， Dec. 2010
http://www.sensorsmag.com/electronics-computers/consumer/mems-pressure-s.。。
3.Greg Welch， Gary Bishop， An IntroducTIon to the Kalman Filter， University of North Carolina at Chapel Hill
4.A. Sabatini， Quaternion-Based Extended Kalman Filter for Determining Orientation by Inertial and Magnetic Sensing， IEEE transaction on biomedical engineering， Vol. 53， No. 7， July 2006
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp？arnumber=1643403
6.缩略语
A-GPS – 辅佐全球定位体系
API – 运用编程界面
DGPS– 差分全球定位体系
EKF – 扩展型卡尔曼滤波器
GPS – 全球定位体系
LBS – 定位服务
LCD – 液晶显现屏
MAR – 手机增强实境
MEMS– 微机电体系
PDR – 行人航位核算
SDK – 软件开发工具
SINS – 捷联式惯性导航体系
UI– 用户界面
