MEMS陀螺儀可否取代光纖陀螺儀技術

光纖陀螺儀（FOG）以前曾經是環形激光陀螺儀（RLG）等其他技術的低成本替代品，現在該技術面臨著新的競爭。微機電系統（MEMS）陀螺儀開始搶奪傳統FOG應用的市場份額。具體來說，天線陣列穩定、農業機械控制、常規車輛導航成為MEMS和FOG對峙的戰場。

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在導航行業日益受到青睞，因為它提供了經過改進的誤差特性和環境穩定性，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技術的一個明顯轉變是天線陣列穩定應用。

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，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導航系統的改進使很多應用極大受益，精密農業和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定。天線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1，000 Hz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）。這些系統的價格可能隨著市場條件和售量而波動，但通常而言，FOG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100 Hz或更低的帶寬。

對于普通車輛導航，這一點還不會產生影響，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的實際規格。

慣性MEMS的采用率處于上升態勢。因此，人們為發展該技術進行了大量投資。

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、線性度和線性g性能之間達到了優化平衡。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，位于高度線性區，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對準誤差指定。常見規格是±2%跨軸靈敏度。本系統的IMU具有0.087%的跨軸靈敏度（0.05°度正交性）。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際旋轉為零。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。

圖1：MEMS IMU配置（ADIS16485）

可用帶寬及其跨軸相位匹配能力的關系對于多軸設計也至關重要。有些陀螺儀結構帶寬有限，與降低總噪有關，而有些結構帶寬有限（通常低于100 Hz）是由于反饋電子器件中使用的傳感器處理導致的。

這可能導致通過傳感器信號路徑的相位相關誤差波動增加，特別是在卡爾曼濾波器中。MEMS IMU的可用帶寬為330 Hz，采用嵌入式的可調濾波系統，提供合理平衡的方法，最大程度地減少總誤差源，并通過嵌入式濾波實現系統特定的誤差優化，即便在場中也是如此。

在此MEMS IMU中使用的核心傳感器具有固有的振動抑制能力和線性度，不僅使得它們的性能適合高動態應用，而且還在極端環境條件下具有穩定性和可預測性。

本設計使用的FOG是綜合權衡價格、性能和大小這幾種因素選擇的。FOG的帶寬、偏置穩定度和噪聲水平是最終選擇傳感器的決定性因素。表2給出了重要的性能參數。與MEMS相比，FOG具有更好的零偏穩定度，角度隨機游動也有了顯著改進。

表2：FOG規格（uFors-6U）

所有更新都用于糾正獨立INS解決方案的漂移，但更新本身也可能中斷或不準確。

雙天線航向更新具有良好的精確度，但易受多路徑影響。因此，雙天線航向更新僅在開放天空環境中是可靠的。對于來自GNSS接收器的位置和速度預測，情況同樣如此，也從SBAS受益。

來自磁力計的航向預測可能由于在校準期間的垂直可觀察性不佳，而受到較大傾斜角的影響。磁力計在含鐵物質周圍也可能不精確，例如在其他車輛旁邊行駛時。因此，磁力計用于在GNSS不可用時幫助初始化系統，或在GNSS長時間中斷時（例如20分鐘）幫助減小航向漂移。

氣壓計用于在GNSS不可用或不精確時幫助獲取高度讀數。速度更新用于在沒有GNSS更新的情況下防止速度漂移，特別是在沿航跡方向。這些速度更新也可幫助減少解決方案的位置不確定性，這有助于抑制不準確的GNSS位置更新。整個導航軟件的設計目的是在任何GNSS條件下提供精確結果。

導航測試

為了正確比較兩個系統，我們設計了三個系統級導航基準測試：

* 在具有良好GNSS信號的開放天空環境下評估橫滾、俯仰和航向的精確性。

* GNSS多路徑場景，例如在城市中心區，由于存在高層建筑，GNSS解決方案質量可能不好。本測試的目的是比較濾波位置性能，它也會顯示高度和速度誤差。

* 獨立INS性能測試，旨在評估INS位置漂移，也代表速度和高度性能。

開放天空高度結果

在GPS可用且位于多個衛星的直射范圍內的情況下，兩個系統的定位和速度結果是相似的。高度角（橫滾、俯仰和航向）是我們比較的主要導航參數，因為它們在很大程度上是由陀螺儀性能決定的。

當GNSS可用時，兩種系統的高度性能幾乎是相同的，但FOG具有大約5%的優勢。

不良信號GNSS定位結果

下一個測試的目標是在存在GNSS多路徑的情況下比較兩個系統。行駛軌跡位于卡爾加里市的中心城區，包括一些很窄的小巷，車行緩慢，同時周圍布滿高層建筑。

現在，性能測試重點包括了定位結果，因為在缺少高質量GNSS測量的情況下，陀螺儀可能對位置性能產生很大影響。此測試結果顯示兩個系統的性能相當。但是，FOG系統高出大約20%至30%。

圖2顯示了獨立GPS解決方案的示意圖。在對復雜的中心城區行駛軌跡進行導航時，本測試使用的高精度GPS接收器遇到了嚴重的信號反射。獨立GPS解決方案的誤差多達100米。

圖2：此圖顯示有多路徑干擾的獨立GPS解決方案結果

紅色的FOG集成解決方案（圖3）清晰顯示中心城區車輛的行駛路徑，精確到10米以內。

圖3：FOG/GPS集成解決方案（FOG+GPS紅色，獨立GPS藍色）

MEMS解決方案在圖4中以綠色顯示，始終在15米之內。該解決方案更易受到不精確GNSS位置更新的影響，因為INS預測的權重較低。

圖4：MEMS/GPS集成解決方案（MEMS + GPS綠色，獨立GPS藍色）

為幫助MEMS解決方案克服不精確的GPS更新，我們使用了額外的傳感器。圖5顯示將OBDII添加到系統以獲取車輛速度。

圖5：MEMS/GPS/OBDII集成解決方案（MEMS+GPS+OBDII綠色，獨立GPS藍色）

MEMS解決方案始終在10米之內，甚至可能稍優于沒有OBDII的FOG，如圖6中的放大圖所示。

圖6：帶有OBDII的MEMS（綠色）與沒有OBDII的FOG（紅色）比較。獨立GPS為藍色。

獨立INS結果：示例和基準

兩個系統之間的最后一項比較是獨立INS導航測試。系統使用開放天空GNSS更新進行融合。然后斷開兩個系統的天線連接，持續4.5分鐘，位置漂移用作性能指標。在此時間內行駛的距離約為5，500米。

圖7顯示了整個軌跡。藍色直線從右下方延伸至左上方，在右下方GPS斷開連接，在左上方GPS重新連接。

圖7：獨立INS測試路徑

在這次GNSS中斷期間，FOG系統的運行情況很好，最大漂移為7米，如圖8所示。5分鐘之后，FOG系統的典型漂移性能基準測試結果為25米，因此這次特殊中斷的情況略好于典型性能。

圖8：獨立FOG漂移

在沒有GNSS更新的情況下，MEMS系統在4.5分鐘之后的漂移為75米。此類漂移大多為沿航跡誤差，主要是由于加速計導致的。MEMS系統的基準測試結果是在沒有GNSS更新的情況下，5分鐘后的典型漂移為75米，比FOG漂移大三倍左右。

圖9：獨立MEMS漂移

為MEMS系統添加OBDII更新之后，漂移改進至小于10米，與FOG解決方案相當。在沒有GNSS更新的情況下，帶有OBDII的MEMS系統的典型基準性能在5分鐘之后產生大約30米的位置漂移，也與FOG基準結果相當。

圖10：帶有OBDII的MEMS系統的漂移

結束語

FOG和MEMS兩者相比非常接近，特別是現在MEMS的性能正在接近FOG戰術級性能水平。FOG仍然在性能上具有優勢，但其成本卻比MEMS高出10倍。如果可以使用GNSS，而且應用的目的是在開放天空環境中運行，則MEMS可以取代一些低端FOG。如果應用的目的是在信號不良的GNSS環境中使用，MEMS也可以取代一些FOG 系統，但性能要低20%至30%。

在獨立INS性能方面，FOG仍然具有優勢，但如果應用能夠接收車輛或平臺速度更新，則MEMS系統可以達到與獨立FOG系統相同的水平。隨著MEMS技術的持續進步，以及其他傳感器（例如OBDII）的輔助，MEMS取代FOG技術可能在不久的將來實現。