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　　增強(qiáng)實(shí)境
　　
　　增強(qiáng)實(shí)境（AR）是在一個實(shí)時(shí)顯示的真實(shí)環(huán)境上疊加圖形、聲音和其它感知強(qiáng)化技術(shù)并使其具有互動性和可操縱性的功能或用戶界面。在一個真實(shí)環(huán)境內(nèi)融合3D虛擬信息有助于提高用戶對虛擬目標(biāo)周圍環(huán)境的真實(shí)感。
　　
　　zui近，增強(qiáng)實(shí)境技術(shù)出現(xiàn)了幾個成功的應(yīng)用案例。例如，汽車安全設(shè)備把路況和汽車周圍的信息投射到前檔風(fēng)玻璃上，讓駕駛員對汽車所在位置有全面了解。另一個應(yīng)用是把智能手機(jī)對準(zhǔn)一個方位已知的目標(biāo)，例如飯店或超市，手機(jī)就會顯示所指目標(biāo)的信息。此外，如果身處一個陌生的大城市，這個功能還能幫助你找到zui近的地鐵站，只要把手機(jī)旋轉(zhuǎn)360度，即可鎖定地鐵路線，沿所指方向到達(dá)目的地。
　　
　　社交網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代人的生活中扮演著重要作用。當(dāng)一個人接近一個購物中心時(shí)，他可以用手機(jī)指向購物中心。然后，他的朋友將會收到經(jīng)過數(shù)字處理技術(shù)強(qiáng)化的他所在位置和周邊環(huán)境的虛擬信息。反之亦然，他也會收到他朋友的方位和周邊信息。因此，增強(qiáng)實(shí)境是一種改變?nèi)藗儗φ鎸?shí)世界的感覺的新方式。
　　
　　由于智能手機(jī)市場高速增長，移動設(shè)備開始興起增強(qiáng)實(shí)境應(yīng)用。圖1所示是在智能手機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)移動增強(qiáng)實(shí)境所需的關(guān)鍵模塊。　　　　
　　數(shù)字?jǐn)z像頭:用于傳送實(shí)際環(huán)境的信息流，并在液晶觸摸屏上顯示捕獲的視頻。目前，新款智能手機(jī)上已配備500萬像素或更高分辨率的成像傳感器。
　　
　　CPU、手機(jī)操作系統(tǒng)、用戶界面和軟件開發(fā)工具：這些是智能手機(jī)的核心模塊?，F(xiàn)在新的智能手機(jī)配備1GHz以上的雙核CPU、512MBRAM內(nèi)存和32GB存儲器。在應(yīng)用開發(fā)過程中，可通過用戶界面和軟件開發(fā)工具（SDK）調(diào)用應(yīng)用程序接口，訪問圖形、無線通信功能、數(shù)據(jù)庫和MEMS傳感器原始數(shù)據(jù)，無需知道這些代碼背后的詳細(xì)原理。
　　
　　高靈敏度GPS接收器、AGPS（輔助GPS）或DGPS（差分GPS）:當(dāng)捕獲到有效的衛(wèi)星信號時(shí)，這些模塊用于確定用戶當(dāng)前的經(jīng)緯度位置。多年來人們一直在研究提高GPS接收器在室內(nèi)和高樓林立的地區(qū)的接收靈敏度和定位精度，因?yàn)樵谶@類地區(qū)衛(wèi)星信號變?nèi)?，并發(fā)生多信道干擾錯誤。
　　
　　無線數(shù)據(jù)傳輸接口，包括GSM/GPRS、WiFi、藍(lán)牙和RFID:無線數(shù)據(jù)接口的主要目的是接入互聯(lián)網(wǎng)，檢索當(dāng)前位置目標(biāo)的在線數(shù)據(jù)庫，在等待GPS定位或沒有GPS信號時(shí)提供簡要的定位信息。如果建筑物內(nèi)預(yù)裝了發(fā)射器，其它的近距離無線連接如WLAN、藍(lán)牙和RFID也可以提供精度適當(dāng)?shù)氖覂?nèi)定位信息。
　　
　　本機(jī)或在線數(shù)據(jù)庫:用于把增強(qiáng)的虛擬目標(biāo)信息疊加到真實(shí)世界視頻上。當(dāng)目標(biāo)與當(dāng)前方位吻合時(shí)，系統(tǒng)將能從本機(jī)數(shù)據(jù)庫或在線數(shù)據(jù)庫檢索目標(biāo)的信息。然后用戶可以點(diǎn)擊觸摸屏上的超級鏈接或圖標(biāo)，接收更加詳細(xì)的方位信息。
　　
　　內(nèi)置數(shù)字地圖的液晶觸摸屏:提供高分辨率的用戶界面，顯示含有虛擬目標(biāo)信息的真實(shí)世界的視頻。有了數(shù)字地圖，用戶可以知道當(dāng)前位置所在街道名稱，無需配戴任何特殊的3D眼鏡。
　　
　　MEMS傳感器（加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀和壓力傳感器）:這些傳感器是自導(dǎo)式器件，隨時(shí)隨地工作。因?yàn)榈统杀尽⑿〕叽?、輕量、低功耗、高性能，它們成為行人航位推算應(yīng)用的半導(dǎo)體產(chǎn)品。這些傳感器與GPS接收器集成在一起可以在室內(nèi)外獲得方位信息。
　　
　　隨時(shí)隨地獲取、可靠的方位信息，使虛擬目標(biāo)與實(shí)際環(huán)境保持一致，是移動增強(qiáng)實(shí)境應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)。
　　
　　室內(nèi)方位檢測
　　
　　盡管智能手機(jī)內(nèi)置GPS接收器，在戶外的定位功能非常不錯，可在數(shù)字地圖上顯示航向，但是，某些GPS接收器在室內(nèi)或高樓林立的城區(qū)無法接收衛(wèi)星定位信號。即便在戶外，當(dāng)汽車或行人靜止時(shí)，GPS也無法提供的方位或航向信息。GPS無法區(qū)分微小的高度變化。此外，GPS僅憑一個天線無法為手機(jī)或汽車用戶提供俯仰/滾轉(zhuǎn)/航向等姿態(tài)信息。
　　
　　DGPS的定位精度為幾cm，但是需要另一個GPS接收器做基站，使用某一種距離粗捕獲碼向移動GPS接收器發(fā)射參考位置信息。輔助定位系統(tǒng)（A-GPS）在某種程度上有助于GPS獲得室內(nèi)定位信息，但無法在可以接受的間隔內(nèi)提供的定位信息。當(dāng)手機(jī)用戶靜止時(shí)，至少需要三個GPS天線才能檢測到用戶的姿態(tài)信息。不過，目前還無法在一部智能手機(jī)上安裝多個GPS天線。
　　
　　因此，僅有GPS的智能手機(jī)無法為用戶提供的方位和姿態(tài)信息。自導(dǎo)式MEMS傳感器是協(xié)助GPS實(shí)現(xiàn)一體化導(dǎo)航系統(tǒng)、提供室內(nèi)外LBS定位服務(wù)的選擇。
　　
　　當(dāng)天線沒有被遮擋時(shí)，GPS接收器的定位精度是3m到20m，這個參數(shù)在一段時(shí)期后不會發(fā)生漂移?；贛EMS傳感器的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Strap-downInertialNavigat*tem，SINS）可在很短時(shí)間內(nèi)提供的定位信息。但是，根據(jù)運(yùn)動傳感器的性能，這種導(dǎo)航系統(tǒng)在使用一段時(shí)間后很快就會發(fā)生精度漂移現(xiàn)象。行人航位推算系統(tǒng)（PedestrianDeadReckoning，PDR）是一個根據(jù)步長和方位計(jì)算從室內(nèi)已知初始位置開始的行走距離的相對導(dǎo)航系統(tǒng)，雖然定位精度不會隨時(shí)間推移而發(fā)生漂移，但是需要在受磁力干擾的環(huán)境內(nèi)保持航向精度。此外，GPS需要對步長進(jìn)行校準(zhǔn)，才能達(dá)到可以接受的定位精度。
　　
　　按照捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)理論，根據(jù)內(nèi)在的偏差漂移和比例因數(shù)，慣性傳感器（3軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀）可分為三大類：導(dǎo)航級、戰(zhàn)術(shù)級和商用級。通過下面兩個方程式⑴，可以計(jì)算出獨(dú)立的加速度計(jì)和陀螺儀的水平位置誤差。
　　
　　加速度計(jì)的位置誤差:PE_ACC＝1/2ACC_biasT2（1）
　　
　　其中ACC_bias是加速度計(jì)長期偏差穩(wěn)定性，單位是mg；g=9.81m/s2；T是雙重積分周期，單位是s；PE_ACC是ACC_bias造成的位置誤差，單位是m。
　　
　　陀螺儀的位置誤差:PE_GYRO＝1/6gGYRO_biasT3（2）
　　
　　其中g(shù)是地球重力，9.81m/s2；GYRO_bias是陀螺儀長期偏差穩(wěn)定性，單位是rad/s；T是雙重積分周期，單位是s，PE_ACC是GYRO_bias造成的位置誤差，單位是m。
　　
　　以上兩個方程式可用于計(jì)算典型慣性傳感器的性能和長期偏差穩(wěn)定性引起的水平位置誤差。當(dāng)慣性傳感器與GPS集成在一起時(shí)，這些誤差不會隨時(shí)間推移而擴(kuò)大，其它引起位置誤差的因素，如失匹、非線性和溫度影響，也應(yīng)在計(jì)算中給予考慮。
　　
　　zui近在MEMS工藝上取得的進(jìn)步使MEMS加速度計(jì)和陀螺儀能夠連續(xù)地提供更高的定位性能，使商用級產(chǎn)品更接近戰(zhàn)術(shù)級產(chǎn)品的性能。在較短的時(shí)間，如1分鐘內(nèi)，獨(dú)立的加速度計(jì)和陀螺儀可取得相對較高的測量精度。當(dāng)GPS信號受阻時(shí)，這對于GPS/SINS一體化導(dǎo)航系統(tǒng)很有用。
　　
　　對于消費(fèi)電子產(chǎn)品，室內(nèi)行人航位推算系統(tǒng)5%的行進(jìn)距離誤差通常是可以接受的。例如，當(dāng)一個人走過100m的距離時(shí)，定位誤差應(yīng)該在5m范圍內(nèi)。這要求航向誤差在±2°到±5°之間[2]。例如，如果航位誤差是2°，當(dāng)一個人走過100m的距離時(shí)，定位誤差應(yīng)該在3.5m范圍內(nèi)[即2×100m×sin（2°/2）]。
　　
　　此外，由于MEMS壓力傳感器能夠測量相對于海平面的氣壓。因此，它可以確定手機(jī)用戶在海平面以下600m到海平面以上9000m之間的高度，輔助GPS的高度測量[2]。利用MEMS傳感器與GPS接收器的行人航位推算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。　　　　
　　MEMS傳感器整合
　　
　　傳感器整合是一套數(shù)字濾波算法，用于修正每個獨(dú)立傳感器的缺陷，然后輸出、響應(yīng)快速、動態(tài)的（俯仰/滾轉(zhuǎn)/偏航）姿態(tài)測量結(jié)果。其目的是把每個傳感器的測量數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用數(shù)字過濾算法對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行相互修正，zui后輸出、響應(yīng)快速、動態(tài)的姿態(tài)測量結(jié)果。因此，航向或方位不受環(huán)境磁干擾的影響，沒有陀螺儀的零點(diǎn)漂移問題。
　　
　　能夠修正傾斜度的數(shù)字羅盤由一個3軸加速度計(jì)和一個3軸磁力計(jì)組成，可提供以地球北極為參考的航向信息，但是這個航向信息容易受到環(huán)境磁力的干擾。如果安裝一個3軸陀螺儀，開發(fā)一個9軸傳感器整合解決方案，則可以隨時(shí)隨地保持的航向信息。
　　
　　在設(shè)計(jì)多個MEMS傳感器的系統(tǒng)時(shí)，了解下面每種MEMS傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)很重要。
　　
　　加速度計(jì):在靜態(tài)或慢速運(yùn)動狀態(tài)下，可用于傾斜度修正型數(shù)字羅盤；或用于計(jì)步器的檢測功能，檢測行人當(dāng)前是靜止還是運(yùn)動狀態(tài)。不過，當(dāng)系統(tǒng)在3D空間靜止時(shí)，加速度計(jì)無法區(qū)分真正的線性加速度與地球重力，而且容易受到震動和振蕩的影響。
　　
　　陀螺儀:可以連續(xù)提供從系統(tǒng)載體坐標(biāo)到局部地球水平坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)矩陣，當(dāng)磁力計(jì)受到干擾時(shí)，陀螺儀可輔助數(shù)字羅盤計(jì)算航向數(shù)據(jù)。長時(shí)間的零點(diǎn)漂移會導(dǎo)致無限制的姿態(tài)和定位錯誤。
　　
　　磁力計(jì):可計(jì)算以地球北極為參考方向的航向，并且可用于校準(zhǔn)陀螺儀的靈敏度，但容易受到環(huán)境磁場的干擾。
　　
　　壓力傳感器:在室內(nèi)導(dǎo)航時(shí)，壓力傳感器可告訴你身處哪一樓層，輔助GPS可計(jì)算高度；當(dāng)GPS信號變?nèi)鯐r(shí)，輔助GPS提高定位精度，但是容易受到氣流和天氣狀況的影響。
　　
　　基于以上各方面考慮，卡爾曼濾波器是zui常用的整合不同傳感器輸入信息的數(shù)學(xué)方法。這種方法權(quán)衡不同傳感器的作用，給性能zui高的方面zui高權(quán)數(shù)，因此，與基于單一媒介的導(dǎo)航系統(tǒng)相比，卡爾曼濾波器算法的估算結(jié)果更可靠[3]。目前的傳感器整合方案中，基于四元數(shù)的擴(kuò)展型卡爾曼濾波器（EKF）很受歡迎，因?yàn)樗脑獢?shù)只有4個元素，而旋轉(zhuǎn)矩陣有9個元素，此外，四元數(shù)法還避免了旋轉(zhuǎn)矩陣的特殊問題[3]。
　　
　　結(jié)論
　　
　　隨時(shí)隨地定位是增強(qiáng)實(shí)境等*移動應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)，因?yàn)樵鰪?qiáng)實(shí)境與行人航位推算（PDR）或定位服務(wù)（LBS）的關(guān)系密切。鑒于GPS接收器的接收限制，MEMS傳感器對室內(nèi)行人航位推算應(yīng)用很有吸引力，因?yàn)檫@些傳感器大多數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在智能手機(jī)內(nèi)。
　　
　　要想取得5%的室內(nèi)行人航位推算定位誤差，需要開發(fā)MEMS傳感器整合算法，以修正每個傳感器的缺陷，使這些傳感器實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。隨著MEMS傳感器的性能不斷提高，在不遠(yuǎn)的將來，與用戶無關(guān)的SINS/GPS一體化導(dǎo)航系統(tǒng)將會成為智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。