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感測器/MEMS  

GPS/MEMS感測器組合晶片實現下一代定位/導航應用

上網時間: 2014年02月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:感測器  組合晶片  慣性導航  GPS  MEMS 

作者:Dvir Rosenfeld,CellGuide公司研發副總裁

過去十年來,GPS定位已經從主要由專業人員使用的專用高階技術轉變為消費者日常使用的技術了。這種轉變是內建GPS功能的兩代元件在大眾化設備中普及GPS定位功能的結果。本文將討論下一個令人興奮的GPS發展階段,它能解決用戶經常在最需要時無法獲得GPS定位資訊的問題。

出現在過去十年初期的第一代設備主要是售後市場的個人導航設備(PND),它以大眾化的價位實現了完整的導航功能。第二階段的發展標誌是智慧型手機的出現。當今的智慧型手機提供了各種定位功能,並且主要依賴GPS功能實現精確的定位和完整導航應用。具有GPS功能的智慧型手機不僅將完整導航應用擴展到了行人、自行車騎士與駕駛人,而且也為智慧型手機的各種應用程式提供了定位功能,從當地餐館位置到生動的星座圖,甚至是增強實境(AR)。

除了智慧型手機以外,在其它消費電子產品中也出現了低成本定位技術,如可為照片增加地理標籤的照相機。但在室內、市中心或樹林等環境中如果也能克服GPS性能限制,這一類應用的影響和範圍還可再大幅地擴展。

智慧型手機的出現還導致一些消費者無法立即覺察的變化出現。根據針對組成現代手機和智慧型手機的零組件調查後發現存在兩大明顯的主要趨勢。第一個趨勢整合多個功能於一的單晶片(IC)普及──通常稱之為‘組合晶片’,目前市場上已有許多組合晶片,包括Wi-Fi、藍牙和GPS。另外一個趨勢是基於MEMS的感測器廣泛使用。過去幾年來,MEMS技術的發展使得在手機平台中整合多個低成本的MEMS感測器成為可能。

例如,目前許多智慧型手機都包含三種動作感測器──MEMS加速度計、電子羅盤和MEMS陀螺儀,當這些感測器一起使用時,可提供手機的直線和角度位置、速度和加速度等精確追蹤。截至目前為止,MEMS感測器基本上還是獨立的晶片,每個晶片完成單一功能,但未來趨勢是將動作感測器融合並整合為單一封裝,再加入足夠的處理能力,就可以智慧化地整合來自各獨立感測器的數據,並直接為應用提供有意義的運動向量。

MEMS感測器的應用使得行動手機平台第一次能夠測量與平台位置以及實際行動有關的參數,這類測量經常被稱為‘慣性測量’。在GPS和無線電導航領域中,慣性測量(或INS──慣性導航系統)技術的應用成熟且普及。慣性導航經常用於改善無線電導航性能,或無線電導航很難或無法實現的環境中作為補充。GPS接收機也會遇到這種情況,如在人口密集的市中心、地下室或室內。

結合GPS與動作感測器功能,可望改善用戶體驗。
圖1:結合GPS與動作感測器功能,可望改善用戶體驗。

了解兩種定位方法之間的差別十分重要。GPS或無線電導航透過測量與多個已知發射器的距離(或延遲),實現了對行動接收機位置的三角測量。因此,GPS接收機每次執行測量後都會直接計算行動接收機的位置。無線電導航接收機中的這種直接位置測量方法的缺點是單次測量的誤差會很大,有時甚至達到數十公尺,因此,接收機通常要使用動態估計演算法(如卡爾曼濾波器),將誤差減少到可接受的程度。

另一方面,慣性導航系統測量的是平台的實體參數,如線性加速度(加速度計)、角速度計(陀螺儀)以及絕對方位(3D羅盤)。針對加速數據進行積分處理,在初始位置已知的條件下,導航系統可以計算出用戶的位置和方位。使用慣性導航系統的優勢在於,測量誤差通常會小於無線電導航接收機中直接定位技術產生的誤差。然而,由於接收機在積分處理測量數據時會累積誤差,如果長時間積分處理則會導致位置‘漂移’。因此,同時使用GPS和INS系統時顯然可以產生一些互補的效果。

在典型的組合式系統中,GPS接收機計算初始位置,INS系統產生距離初始位置的位置差。為了避免由於INS引起的漂移誤差,要用GPS接收機週期性地校準位置。很自然地就有最最佳化的方式來實現這種組合,通常是使用擴展卡爾曼濾波器(EKF)來實現。

目前,大多數GPS/INS建置使用的感測器都與行動平台結合,並且一般安裝在固定位置。以固定方式安裝在汽車平台上的慣性感測器就是一個很好的例子。在INS單元與行動平台未結合時,如果一個人邊走邊用手握著蜂巢式手機,這種平台中的GPS/INS導航使用的方法和演算法通常都不能現高性能。然而,近年來,隨著對於口袋型行動定位應用預期的升溫,如行人導航和室內導航(在購物大廳、公共建築物、博物館與展覽館等),這方面的研究工作非常多,目的是實現無限制的GPS/INS導航。最近不少研究結果顯示,不受限制的GPS/INS導航商用化前景看好。

結合將多種技術融合於組合晶片的趨勢、以及對於行動平台上同時實現GPS定位和MEMS感測器的要求,下一步的發展是開發出同時包含GPS技術和MEMS感測器的組合晶片。基於這些晶片的平台目的並不是為了實現更高整合度,而是體驗更好的導航性能,在室內或人口密集的市中心等GPS挑戰環境中第一次實現真正高精密度的定位。

Baolab Microsystems公司的NanoEMS 3D數位羅盤,由標準CMOS晶片內部的互連層蝕刻而來。
圖2: Baolab Microsystems公司的NanoEMS 3D數位羅盤,由標準CMOS晶片內部的互連層蝕刻而來。

最近,GPS接收機製造商與歐洲新創的Baolab Microsystems公司紛紛展開合作,開發以標準CMOS製程製造的低成本MEMS技術。現在,組合晶片可提供GPS和MEMS感測器解決方案──在單一晶片產品中整合GPS和三維電子羅盤功能。這是在基於GPS/MEMS組合晶片的行動消費設備(行動手機、照相機等)中實現定位和導航的第一步。這種技術帶來了無限的應用可能,特別是這種解決方案能夠顯著降低成本,整體解決方案的建置成本比現有技術更低得多。

NanoEMS CMOS羅盤元件‘內部’的SEM影像圖。
圖3:NanoEMS CMOS羅盤元件‘內部’的SEM影像圖。

總之,目前情況是,當你最需要知道你的確切位置時,如在人口密集的市中心、剛從地下停車場開車上來、在綠樹成蔭的地方,以及越來越多行動設備的室內(大型購物中心、公共建築物等),你卻經常‘無法獲知’位置資訊,因為GPS在這些地方不能正常作業。

這主要是因為有太多干擾阻擋了訊號,使無法掌握方向的人感到困惑。但是,透過使用增強型GPS以及來自MEMS感測器的INS動作追蹤數據,在這些缺少GPS訊號的環境中可實現高品質的動態導航,讓消費用戶幾乎在任何地方都能享受可攜式GPS增強應用的無縫作業,特別是在他們最需要的時候。

(參考原文:Use GPS and MEMS sensor combo for next-gen positioning and navigation,by Dvir Rosenfeld)





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