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(shù)的低成本替代品，現在該技術(shù)面臨著(zhù)新的競爭。微機電系統(MEMS)陀螺儀開(kāi)始搶奪傳統FOG應用的市場(chǎng)份額。具體來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)陣列穩定、農業(yè)機械控制、常規車(chē)輛導航成為MEMS和FOG對峙的戰場(chǎng)。

為了確定用于導航應用的這兩種技術(shù)之間的相似點(diǎn)，我們將對選定的高端MEMS陀螺儀與低端FOG陀螺儀進(jìn)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是否真正為在戰術(shù)導航性能水平上使用做好了準備。

MEMS用于精確導航

過(guò)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(guò)改進(jìn)的誤差特性和環(huán)境穩定性，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(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)主導的市場(chǎng)。從FOG到MEMS技術(shù)的一個(gè)明顯轉變是天線(xiàn)陣列穩定應用。

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

實(shí)時(shí)導航硬件

本例中使用的導航系統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(chē)輛頂棚上的天線(xiàn)陣列達到穩定。天線(xiàn)陣列的用途是維持與地球同步衛星之間的通信。

該導航系統用作束帶式INS/GNSS導航器，提供高速率的位置和速度數據。慣性測量單元(IMU)數據以1,000Hz頻率流向導航濾波器，這些數據包用于預測位置、速度和高度解決方案。從雙天線(xiàn)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(shí)，則使用磁力計來(lái)幫助初始化航向。使用氣壓計來(lái)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(xiàn)安裝對準誤差、IMU安裝對準誤差，還校準車(chē)輛振動(dòng)水平以便進(jìn)行靜態(tài)期檢測。

該系統可在兩種硬件配置中工作。第一種配置包括兩個(gè)FOG(檢測航向角和俯仰角)、一個(gè)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(jià))。

第二種配置包含三個(gè)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(jià))。這些系統的價(jià)格可能隨著(zhù)市場(chǎng)條件和售量而波動(dòng)，但通常而言，FOG的價(jià)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(jià)位中非常出色的偏置穩定度、正交性、g靈敏度和帶寬。這種系統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(chē)輛導航，這一點(diǎn)還不會(huì )產(chǎn)生影響，但此系統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定度，但帶寬降低或噪聲很高。為本系統選擇的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(shí)際規格。

表1：所選MEMS的實(shí)際規格。

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(shù)進(jìn)行了大量投資。

本系統中使用的MEMS陀螺儀采用多核架構，該架構在穩定度、噪聲、線(xiàn)性度和線(xiàn)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高性能信號調理密切配合，從而使得諧振器的必需響應范圍最小，位于高度線(xiàn)性區，并且提供高度的振動(dòng)抑制。

由于MEMS陀螺儀和加速度計集成到多軸IMU中(請參見(jiàn)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對準誤差指定。常見(jiàn)規格是±2%跨軸靈敏度。本系統的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(chǎng)前完成，此規格在溫度范圍內有效。

對于特定旋轉速率，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)際旋轉為零。2%的跨軸誤差通常會(huì )導致除了本有的陀螺儀噪聲之外，還會(huì )增加一個(gè)數量級的軸外噪聲；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。