MEMS和FOG的精確導航之爭

光纖陀螺儀(FOG)以前曾經(jīng)是環(huán)形激光陀螺儀(RLG)等其他技術的低成本替代品，現(xiàn)在該技術面臨著新的競爭。微機電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀開始搶奪傳統(tǒng)FOG應用的市場份額。具體來說，天線陣列穩(wěn)定、農(nóng)業(yè)機械控制、常規(guī)車輛導航成為MEMS和FOG對峙的戰(zhàn)場。

為了確定用于導航應用的這兩種技術之間的相似點，我們將對選定的高端MEMS陀螺儀與低端FOG陀螺儀進行比較。我們在分析中使用了導航軟件和測試案例作為控制，以確定MEMS是否真正為在戰(zhàn)術導航性能水平上使用做好了準備。

MEMS用于精確導航

過去幾年中，MEMS在導航行業(yè)日益受到青睞，因為它提供了經(jīng)過改進的誤差特性和環(huán)境穩(wěn)定性，以及更多的帶寬和更出色的g靈敏度，而且嵌入式運算能力的應用日益廣泛，可以運行高級融合和傳感器誤差建模算法。

新的精密慣性導航系統(tǒng)(INS)市場正在形成氣候，MEMS技術也在進入以往被FOG技術主導的市場。從FOG到MEMS技術的一個明顯轉(zhuǎn)變是天線陣列穩(wěn)定應用。

機器控制應用也可以得益于MEMS技術的進步。以前，用戶偏好價格30,000美元以上的FOG或RLG導航系統(tǒng)，因為其精確度和可靠性比具有代表性的1,000美元MEMS導航系統(tǒng)高出20倍。低成本MEMS導航系統(tǒng)的改進使很多應用極大受益，精密農(nóng)業(yè)和UGV/UAV/USV便是其中兩個典型的例子。

實時導航硬件

本例中使用的導航系統(tǒng)的設計目的是為電機提供高速率的高度輸出，然后該電機再讓車輛頂棚上的天線陣列達到穩(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。

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

特殊校準程序與導航濾波器并行發(fā)生。這些程序校準磁力計、雙天線安裝對準誤差、IMU安裝對準誤差，還校準車輛振動水平以便進行靜態(tài)期檢測。

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

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

為此設計選擇的MEMS陀螺儀和加速度計具有在同一價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加速度計提供高帶寬，但MEMS陀螺儀通常僅有100Hz或更低的帶寬。

對于普通車輛導航，這一點還不會產(chǎn)生影響，但此系統(tǒng)是針對需要適應高速率控制的應用設計的。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到了平衡。表1給出了所選MEMS的實際規(guī)格。

表1：所選MEMS的實際規(guī)格。

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

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

由于MEMS陀螺儀和加速度計集成到多軸IMU中(請參見圖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)收`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在出廠前完成，此規(guī)格在溫度范圍內(nèi)有效。

對于特定旋轉(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際旋轉(zhuǎn)為零。2%的跨軸誤差通常會導致除了本有的陀螺儀噪聲之外，還會增加一個數(shù)量級的軸外噪聲；而此處IMU的0.087%靈敏度與本有的陀螺儀噪聲水平達到精確平衡。