尽管只要接收机位于多个卫星的视线内，GPS就能够定位地球上的任何物体，但同一设备在室内定位时可能会很困难。美国犹他大学的一个研究小组已经找到了解决这一问题的办法。据悉，该团队开发了一套传感器和电路，即可将其安装到靴子上，无需使用GPS信号，就可以确定其位置，定位精确度在室内和室外均约为5米。
集成在靴子中的导航系统。资料图
导航系统安装在一个非常笨重的原型靴中，这个靴子可帮助救援人员在建筑物内导航，并向消防队员显示他们团队的其它成员所在的位置。它也可能与虚拟或者增强现实游戏集成。犹他州的研究人员在今年早些时候在旧金山举办的国际固态电路会议上展示了他们的无GPS导航系统。
这个导航系统核心是惯性测量单元，即inertial measurement unit（IMU），这是一个包含陀螺仪、磁力计、加速度传感器的小黑盒。这种导航系统的高端版本用于辅助飞行员进行导航。犹他大学电气工程师Darrin Young希望能够在便携电子设备中使用IMU。
IMU导航解决方案的测试系统，资料图
然而，这些传感器廉价版本的读数会随着时间而漂移，并且其错误可能会迅速累积。Young让其研究生郭庆波想方设法让这些传感器保持校准。最终，郭找到了生物力学的解决方案。即在每个步伐中，脚后跟锚定在地面约100毫秒。他们想办法测量了这个静止时间，重置位置计算的每一步，这样纠正了IMU的漂移数据中的错误运动，所以不会累计错误。
郭设计了一个灵活的MEMS压力传感器，放置在带有IMU的靴子的鞋垫底下。他计算出系统需要大约1000个传感器才能获得准确的读数（并在某些传感器断裂的情况下提供冗余备份功能），并构建了定制电路来合成来自IMU和压力传感器的数据，同时设计了必要的算法。在原型中，定制电路位于安装在保护罩侧面的印刷电路板上。他们将传感器放在引导装置外面以便于访问和调试，但它可能位于鞋底内部并可以使用蓝牙技术来连接。
IMU导航解决方案的测试结果，资料图
接着，他用电缆连接到背包里的一台笔记本电脑，然后开始走路。为测试导航系统，郭在美国湖城用导航引导跟踪器走了约三公里，然后将原型数据与GPS数据进行比较。在校园十次散步后，最大误差约为5.5米。他还在旧金山金门公园进行了漫长的步行测试。测试结果显示，系统的工作原理与哪种地形无关。这一表现与GPS相媲美，但它能够在没有GPS信号如室内时起作用。