基于SensorTag的室内定位设备

7leaves

基于SensorTag的室内定位设备 [复制链接]

      由于学习和工作的的原因让我有机会接触到捷联惯导和微机电这两个名词，而由此也引发了我对室内定位的兴趣，大家都知道一般的导航和定位是通过GPS和基站来实现的，而GPS在室内通常是没有信号的，基站也只能实现粗略的定位，所以要实现精确的室内定位就要另寻思路。

      在所有之前解释一下什么是惯性导航系统和微机电。

       MEMS：MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。

惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）也称作惯性参考系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量（如无线电导航那样）的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。由此可以发现既然我们能够确定速度和偏航角，那么再加上时间参数，我们基本就可以解决朝哪个方向走，走了多远这个问题。
       惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。

       对于一个发射出去的导弹来说，要想精确追踪并调整导弹的轨道的话，下面几组数据必不可少：GPS定位它的位置，加速计测量当前加速度，磁力计确定导弹头的方向（只能知道东南西北四个方向上的夹角），陀螺仪知道导弹的角速度。这几个个仪器结合才能确定导弹的准确的立体运动方向。

       加速计得到的结果就是XYZ三个值，分别代表三个方向的加速度。关于XYZ三值的介绍，可以看这里：android 重力感应和屏幕旋转关系http://blog.csdn.net/lzx_bupt/archive/2010/04/20/5507165.aspx

       用加速计和磁力计可以计算出orientation(方位计)，orientation涉及到了三个概念：
       Roll：左右倾斜角度，也叫滚转角 http://baike.baidu.com/view/1769672.htm
       Pitch：前后倾斜，也叫俯仰角 http://baike.baidu.com/view/3832041.htm
       Yaw：左右摇摆，也叫偏航角 http://baike.baidu.com/view/1769448.htm

根据Wiki的定义：「陀螺仪是用于测量角度或维持方向的设备，基于角动量守恒原理。」

这句话的要点是测量角度或维持方向，这是 iPhone 为何搭载此类设备的原因。机械陀螺仪–例如下面这只–中间有一转盘，用以侦测方向的改变。iPhone 采用了微型的，电子化的振动陀螺仪，也叫微机电陀螺仪。
这东西应该就是这个样子一个东西(下图)，看起来很像手表里的一个机密零件！

三轴陀螺仪动态展示图

注意上图的中间是一个高速旋转的金黄颜色的转子，由于惯性作用它是不会受到外力的影响而改变姿态的，而周边的设备的任何姿态的改变就可以检测出来，用来判别物体在各个方向上旋转的角度。

这里插一句，大家小时候玩过陀螺的，知道在一定的速度下，就能一直保持一个竖直的方向。

三轴陀螺仪最大的作用就是“测量角速度，以判别物体的运动状态，所以也称为运动传感器“，换句话说，这东西可以让我们的iPhone知道自己”在哪儿和去哪儿“（where they are or where they’re going）！

加速度计是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件之一，加速度计本质上是一个振荡系统，安装于运动载体的内部，可以用来测量载体的运动加速度。

MEMS类加速度计的工作原理是当加速度计连同外界物体(该物体的加速度就是待测的加速度)一起作加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，通过输出电压就能测得外界的加速度大小。

加速度计工作原理图

从MEMS陀螺仪的应用方向来看，陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，可与MEMS加速度计(加速计)形成优势互补，如果组合使用加速度计和陀螺仪这两种传感器，设计者就能更好地跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。

要准确地描述线性（直线运动）和旋转运动（有转弯变化的运动），需要设计者同时用到陀螺仪和加速度计。

• 单纯使用陀螺仪的方案可用于需要高分辨率和快速反应的旋转检测；
• 单纯使用加速度计的方案可用于有固定的重力参考坐标系、存在线性或倾斜运动但旋转运动被限制在一定范围内的应用。但同时处理直线运动和旋转运动时，就需要使用加速度和陀螺仪计的方案。
  

此外，为让设计和制作的陀螺仪具有较高的加速度和较低的机械噪声，或为校正加速度计的旋转误差，一些厂商会使用磁力计来完成传统上用陀螺仪实现的传感功能，以完成相应定位，让陀螺仪术业有专攻。这表明，混合的陀螺仪、加速度计或磁感应计结合的方案正成为MEMS陀螺仪技术应用的趋势。若只使用传统的加速度计，用户得到的要么是反应敏捷的但噪声较大的输出，要么是反应慢但较纯净的输出，而如将加速度计与陀螺仪相结合，就能得到既纯净又反应敏捷的输出。

加速度计是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件之一，加速度计本质上是一个振荡系统，安装于运动载体的内部，可以用来测量载体的运动加速度，利用已知的GPS测量等等的初始速度，对加速度积分，就可知道载体的速度和位置等信息。因此，加速度计的性能和精度直接影响导航和制导系统的精度。

室外

• GPS——用于在室外能够搜索到足够卫星情况下的导航
  

室内

• 加速度计用于测量加速度，结合GPS所提供的初始速度，可以计算出现有的速度运动的距离。
• 陀螺仪用于测量设备的转弯或坡度变化大小
  

在GPS信号被阻挡或受到干扰而不能进行定位的环境中，通过陀螺仪与加速度计就可以进行另一种方式的导航，可以大幅提升定位导航的效率与准确度。IPhone装上陀螺仪与加速度计后，会带动一大批手机厂商的跟进，这将会有力地推动LBS服务的进一步增长。

一．室内定位技术的前景
　　1.未来是移动互联的时代
　　2.移动服务最后一米的机会
　　人平均80%的时间在室内，80%移动电话使用和数据连接在室内使用。
二．室内定位的需求
　　1.公共安全及应急响应
　　在紧急情况下，每一个人都想被救援人员精确定位到，大到建筑物的位置，甚至是楼层或者房间号。
　　2.定位导览
　　（1）.这建筑物内有什么东西。
　　（2）.我办公室的周围是谁。
　　（3）.我车放在地下停车场什么位置。
　　（4）.超市里的牛奶在什么位置。
　　（5）.大型商场里面最近的餐馆在哪里。
　　（6）.怎么去那里…
　　3.社交需求
　　实现名片交换、微博推送、类似微信进行交友互动等等。
　　4.市场推广需求
　　在百货商场里为客户提供导购服务。手机会告诉你，提供导购服务，附近有哪些商品在打折。

　　在旅游景区、展馆、机场、实现定位导览，进行展品介绍等。机场，可以精确引导用户办手续、指示卫生间位置等等。

相关知识：   
     四轴飞行器之传感器篇：http://user.qzone.qq.com/88299908/blog/1354068461

相关设计与实现请看下回分解
     未完待续。。。。