手机内置运动、气压传感器已经普及 兼顾精度、体积、系统优化

“目前手机导航主要还是依赖GPS和WIFI,而在隧道或高密度环境下,这些信号强度弱,或是直接丢星,无法进行导航。此时,实际是可以依靠手机里的MEMS传感单元的。” ADI亚太区微机电产品市场与应用经理赵延辉说,众所周知,目前智能机里都集成了众多MEMS传感器,比如加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计等。在没有GPS信号的情况下,可以依靠陀螺仪来判断方向的变化,可以利用加速度计来判断速度和位移的变化。但手机里面所用的加速度计和陀螺仪都是消费级产品,无论是瞬时精度、积分精度还是长期稳定性都较差,这是受器件的功耗、体积和封装的限制。 20170113-GPS-2ADI亚太区微机电产品市场与应用经理 赵延辉

他进一步分析,一般体积和功耗越小,器件的精度会越差,这是设计上的权衡。说到封装,一般手机里用的都是塑料封装,这是受成本的限制,塑料封装对外部环境敏感,比如温湿度以及压力的影响。以判断方向的陀螺仪为举例,陀螺仪有长时间的零点漂移,那么在你积分换算角度的时候就会有行驶误差,如前面提到的,对于手机里用的塑料封装MEMS陀螺仪,它受外部的环境影响很大,随着时间的变化,这个零点漂移会越来越大,所带来的误差也就越来越大。再比如过减速带的时候,会有上下的颠簸,这时又有两个指标会影响行驶方向的判断,一个是陀螺仪对加速度的敏感度,也就是在加速度变化时,会对陀螺的输出带来多大的影响;还有一个是交叉轴敏感度,也就是汽车在上下颠簸时,实际行驶方向也会受到影响。要提升这些精度,需要更高精度的MEMS传感器。除此之外,与地图匹配运行会是非常重要的,如果软件做的好,运行轨迹与地图完全匹配的时候,会对MEMS传感器的要求降低。这是因为在汽车转弯的时候,不太可能每隔几度就有一个弯道,而且这些弯道都在同一点,大部分情况下,一个转弯点上只有2-4个弯道,这时角度再出现些许偏差,就没有那么的严重。

在传感器达到一定的精度和尺寸的基础上,系统优化成为关键。Bosch Sensortec亚洲市场及业务发展总监严更真接受国际电子商情采访时表示,目前,以博世最新的传感器解决方案为例,传感器本身的精度、各种应用场景下的功耗、尺寸都已经达到了非常高的水准,不是影响室内导航应用的瓶颈。我们目前创新的重点放在针对具体应用场景下的系统最优解决方案。比如针对当前热点的智能手机、可穿戴、无人机、虚拟现实(VR)、物联网、智能家居、导航等热门应用领域,博世传感器均从整个系统架构最优化的角度推出创新的解决方案。

针对当前利用手机导航的几个痛点,比如导航的流畅度和利用GPS导航的电池续航能力问题,博世传感器也推出了创新性的解决方案。如博世的智能传感器中枢产品 BHI160, 利用其硬件内置的Always-on传感器算法,可以以微安级的电耗实现如计步器、动作识别、状态识别等算法,既分担了主应用处理器的运算量又降低了整个系统的功耗;另一方面BHI160与GPS结合,可以在保证连续导航体验的情况下大幅减少GPS模块工作的时间,从而显著降低整机的功耗。该方案无论在室内导航还是室外导航的情况下,都能显著提升导航的性能与电池续航能力。

为进一步提高的导航体验,相对高度的识别也非常重要。大气压力传感器(高度计)的性能及其与GPS的配套解决方案是关键。利用博世的最新大气压力传感器BMP280及BMP380, 可以在爬楼梯或乘坐电梯等场景下,非常高精度的识别楼层、高度等。大气压力传感器与GPS的结合,能够提升室内与室外的立体定位的性能。大气压力传感器可以让二维平面导航升级为三维立体导航。根据市场报告,博世气压传感器在全球手机市场的年出货量超过3亿颗,在全球市场占有决定性的市场份额。这为进一步提升手机导航的体验、三维立体导航服务的提供奠定了非常好的硬件基础。

与其他定位技术融合

“由于半导体电子技术本身的特点,单独利用MEMS传感器进行室内定位的挑战是绝对位置的确定及误差积累等问题。GPS也有信号干扰、信号不能完全覆盖等弱点,多技术的融合是必然趋势。但好的一方面是,当前的智能手机中GPS、WIFI、蓝牙的配置也很普及。如何把这些现有的资源整合成一个解决方案是目前业界努力的方向。”严更真分析,我们看到,室内定位解决方案目前分两个层面,即:同一楼层内的位置定位与多层建筑内的楼层及高度识别。

20170113-GPS-3Bosch Sensortec亚洲市场及业务发展总监严更真

室内定位及相关技术可以用于在没有GPS信号或者GPS信号不够好的情况下,大型商业建筑内的室内导航、大型高层楼宇内救援定位、及GPS信号不好的车库及隧道内的惯性导航等,以及基于上述场景的相关服务。

目前尝试进行室内定位的解决方案有多种,由于内置9轴运动传感器及大气压力高度计的智能手机已经非常普及,基于手机内的运动及高度传感器进行部署的室内定位方案从经济性和可行性方面更好。

为了达到良好的用户体验,室内定位系统对MEMS传感器本身的性能、多MEMS传感器的融合算法、MEMS传感器与GPS及其他解决方案的配合与集成都非常重要。除此之外,室内定位还要考虑的一个重要方面是整机系统的功耗问题。

室内定位的应用场景很多,比如说消防员的室内定位、矿工的井下定位、商家的精准推送、运营商的室内信号强度测试、室内机器人应用等。赵延辉认为,对传感器的要求是既要有短时的噪声精度,还要有较长时间的积分精度,更要有长期的稳定性。目前的定位精度取决于是否采用了其他的定位技术,比如Wi-Fi, BEACON, RFID等,如果整合多种定位技术,定位精度可达1米甚至厘米级。单纯以MEMS传感器来看,也要考虑都整合了什么MEMS传感器,实际使用场景的温度变化如何,磁场干扰如何,振动如何,佩戴该模块的人/物体的运动速度如何,是否有运动规律等,以及实际的软件算法如何。以ADI的一个带算法的惯性感测单元ADIS16480为例,它能提供运动物体的角度信息,俯仰角、滚转角的静态精度可达0.1度,航向角的静态精度可达0.3度。而动态精度分别是0.3度和0.5度。至于位移,一般没有运动规律可循的物体,其误差会受运行时间和运动距离的影响,好的可以做到5分钟内,<1m的精度。对于有运动规律可循的物体运动,主要受运动距离的影响,一般可以做到<0.5%的误差。

赵延辉解析,很多迫切的应用场合没有办法预建BEACON和WI-FI等设备,比如说在救火时,消防员进入火场,只能依靠自身所带设备和在火场外围迅速搭建的参考通信点,这时依靠室内预设的BEACON和WI-FI设备几乎是不可能的。那么此时,自身所带设备里的MEMS传感器就变成了至关重要的一个参数,当然如果是机器人,那可能还会用到编码器和激光导航等,而支持这些导航方式的高精度传感器,目前都是价格不菲,少则上百美金,多则上万美金,所以价格是限制室内导航应用推广的一个主要因素。另外就是室内导航需要融合多种传感技术、且对算法要求较高,如果没有积累,很难一蹴而就,技术门槛很高。

MEMS的优势是在需要室内导航定位时,不需要预设参考点,随时可用。且其体积小、重量轻、功耗低、耐冲击、鲁棒性好、启动时间快、且价格适中。劣势是各种MEMS传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时会有积分误差,无法区分重力分量的变化和实际加速度的变化;陀螺仪在算角度变化时也会有积分误差;磁力计会受磁场干扰,比如建筑里的钢筋;气压计在火场等情况下,会对高度产生误判等。未来,多种技术融合会是大势所趋,而且很有可能利用SIP的技术,将多种技术融合到一颗器件里面,这样来帮助室内导航应用实现小型化、便携化和低成本化。

ADI的MEMS传感器在室内定位方面已有很多成功应用案例,包括消防员的室内定位,机器人的室内定位,驾考汽车在隧道内的辅助定位等等。ADI既可以提供核心的MEMS器件,比如高精度的加速度计ADXL355,ADXL203,ADXL350和高精度的陀螺仪ADXRS642,ADXRS646,ADXRS290等;又可以提供整合了多个MEMS传感器的惯性测量单元,比如ADIS16448,ADIS16488,ADIS16460等;还可以提供带算法输出的ADIS16480模块。

近几年,室内定位市场需求持续高速增长,由于受价格和技术的局限,还没有爆发。ADI的MEMS传感器在工业级机器人应用和对可靠性要求较高的场合比如消防员、辅助驾考系统中的应用还是占主导地位,出货量在百K级别。

《国际电子商情》原创文章,转载请注明原文地址和链接

20160719-ESMC-1