MEMS和FOG的精確導(dǎo)航之爭(zhēng)

光纖陀螺儀(FOG)以前曾經(jīng)是環(huán)形激光陀螺儀(RLG)等其他技術(shù)的低成本替代品，現(xiàn)在該技術(shù)面臨著新的競(jìng)爭(zhēng)。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀開始搶奪傳統(tǒng)FOG應(yīng)用的市場(chǎng)份額。具體來說，天線陣列穩(wěn)定、農(nóng)業(yè)機(jī)械控制、常規(guī)車輛導(dǎo)航成為MEMS和FOG對(duì)峙的戰(zhàn)場(chǎng)。

為了確定用于導(dǎo)航應(yīng)用的這兩種技術(shù)之間的相似點(diǎn)，我們將對(duì)選定的高端MEMS陀螺儀與低端FOG陀螺儀進(jìn)行比較。我們?cè)诜治鲋惺褂昧?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/導(dǎo)航">導(dǎo)航軟件和測(cè)試案例作為控制，以確定MEMS是否真正為在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航性能水平上使用做好了準(zhǔn)備。

MEMS用于精確導(dǎo)航

過去幾年中，MEMS在導(dǎo)航行業(yè)日益受到青睞，因?yàn)樗峁┝私?jīng)過改進(jìn)的誤差特性和環(huán)境穩(wěn)定性，以及更多的帶寬和更出色的g靈敏度，而且嵌入式運(yùn)算能力的應(yīng)用日益廣泛，可以運(yùn)行高級(jí)融合和傳感器誤差建模算法。

新的精密慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)市場(chǎng)正在形成氣候，MEMS技術(shù)也在進(jìn)入以往被FOG技術(shù)主導(dǎo)的市場(chǎng)。從FOG到MEMS技術(shù)的一個(gè)明顯轉(zhuǎn)變是天線陣列穩(wěn)定應(yīng)用。

機(jī)器控制應(yīng)用也可以得益于MEMS技術(shù)的進(jìn)步。以前，用戶偏好價(jià)格30,000美元以上的FOG或RLG導(dǎo)航系統(tǒng)，因?yàn)槠渚_度和可靠性比具有代表性的1,000美元MEMS導(dǎo)航系統(tǒng)高出20倍。低成本MEMS導(dǎo)航系統(tǒng)的改進(jìn)使很多應(yīng)用極大受益，精密農(nóng)業(yè)和UGV/UAV/USV便是其中兩個(gè)典型的例子。

實(shí)時(shí)導(dǎo)航硬件

本例中使用的導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為電機(jī)提供高速率的高度輸出，然后該電機(jī)再讓車輛頂棚上的天線陣列達(dá)到穩(wěn)定。天線陣列的用途是維持與地球同步衛(wèi)星之間的通信。

該導(dǎo)航系統(tǒng)用作束帶式INS/GNSS導(dǎo)航器，提供高速率的位置和速度數(shù)據(jù)。慣性測(cè)量單元(IMU)數(shù)據(jù)以1,000Hz頻率流向?qū)Ш綖V波器，這些數(shù)據(jù)包用于預(yù)測(cè)位置、速度和高度解決方案。從雙天線獲取的GNSS位置、速度和航向用作對(duì)導(dǎo)航濾波器的更新。當(dāng)GNSS不可用時(shí)，則使用磁力計(jì)來幫助初始化航向。使用氣壓計(jì)來幫助確定高度。

特殊校準(zhǔn)程序與導(dǎo)航濾波器并行發(fā)生。這些程序校準(zhǔn)磁力計(jì)、雙天線安裝對(duì)準(zhǔn)誤差、IMU安裝對(duì)準(zhǔn)誤差，還校準(zhǔn)車輛振動(dòng)水平以便進(jìn)行靜態(tài)期檢測(cè)。

該系統(tǒng)可在兩種硬件配置中工作。第一種配置包括兩個(gè)FOG(檢測(cè)航向角和俯仰角)、一個(gè)MEMS陀螺儀（檢測(cè)橫滾）、三軸MEMS加速度計(jì)、三軸MEMS磁力計(jì)、MEMS氣壓計(jì)，傳感器硬件的總物料成本(BOM)為大約8,000美元(小批量售價(jià))。

第二種配置包含三個(gè)MEMS陀螺儀(用于檢測(cè)所有方位角)，以及與前一種配置相同的三軸MEMS加速度計(jì)、三軸MEMS磁力計(jì)和MEMS氣壓計(jì)，總成本為大約1,000美元(小批量售價(jià))。這些系統(tǒng)的價(jià)格可能隨著市場(chǎng)條件和售量而波動(dòng)，但通常而言，F(xiàn)OG的價(jià)格比MEMS高出八至十倍。

為此設(shè)計(jì)選擇的MEMS陀螺儀和加速度計(jì)具有在同一價(jià)位中非常出色的偏置穩(wěn)定度、正交性、g靈敏度和帶寬。這種系統(tǒng)的主要限制是帶寬要求高。很多MEMS加速度計(jì)提供高帶寬，但MEMS陀螺儀通常僅有100Hz或更低的帶寬。

對(duì)于普通車輛導(dǎo)航，這一點(diǎn)還不會(huì)產(chǎn)生影響，但此系統(tǒng)是針對(duì)需要適應(yīng)高速率控制的應(yīng)用設(shè)計(jì)的。此外還有幾種MEMS陀螺儀提供良好的偏置穩(wěn)定度，但帶寬降低或噪聲很高。為本系統(tǒng)選擇的MEMS陀螺儀在帶寬和性能之間達(dá)到了平衡。表1給出了所選MEMS的實(shí)際規(guī)格。

表1：所選MEMS的實(shí)際規(guī)格。

慣性MEMS的采用率處于上升態(tài)勢(shì)。因此，人們?yōu)榘l(fā)展該技術(shù)進(jìn)行了大量投資。

本系統(tǒng)中使用的MEMS陀螺儀采用多核架構(gòu)，該架構(gòu)在穩(wěn)定度、噪聲、線性度和線性g性能之間達(dá)到了優(yōu)化平衡。完全差分四諧振器與片內(nèi)高性能信號(hào)調(diào)理密切配合，從而使得諧振器的必需響應(yīng)范圍最小，位于高度線性區(qū)，并且提供高度的振動(dòng)抑制。

由于MEMS陀螺儀和加速度計(jì)集成到多軸IMU中(請(qǐng)參見圖1)，傳感器的x/y/z正交性可能成為主要誤差源。主要誤差源往往由跨軸靈敏度或?qū)?zhǔn)誤差指定。常見規(guī)格是±2%跨軸靈敏度。本系統(tǒng)的IMU具有0.087%的跨軸靈敏度(0.05°正交性)。更重要的是，由于器件特定的校準(zhǔn)在出廠前完成，此規(guī)格在溫度范圍內(nèi)有效。

對(duì)于特定旋轉(zhuǎn)速率，例如在偏航軸上，正交軸的速率輸出等于跨軸軸靈敏度乘以偏航率(Cross Axis Sensitivity * Yaw Rate)，即使橫滾軸和俯仰軸上的實(shí)際旋轉(zhuǎn)為零。2%的跨軸誤差通常會(huì)導(dǎo)致除了本有的陀螺儀噪聲之外，還會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)的軸外噪聲；而此處IMU的0.087%靈敏度與本有的陀螺儀噪聲水平達(dá)到精確平衡。