MEMS陀螺儀可否取代光纖陀螺儀技術(shù)

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)面臨著新的競爭。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對峙的戰(zhàn)場。

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(dǎo)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(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。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)。慣性測量單元（IMU）數(shù)據(jù)以1，000 Hz頻率流向?qū)Ш?a href="http://wenjunhu.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器，這些數(shù)據(jù)包用于預(yù)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(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)、雙天線安裝對準(zhǔn)誤差、IMU安裝對準(zhǔn)誤差，還校準(zhǔn)車輛振動水平以便進(jìn)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(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(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)格可能隨著市場條件和售量而波動，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100 Hz或更低的帶寬。

對于普通車輛導(dǎo)航，這一點(diǎn)還不會產(chǎn)生影響，但此系統(tǒng)是針對需要適應(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。

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(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抑制。

由于MEMS陀螺儀和加速度計(jì)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)?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°度正交性）。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%的跨軸誤差通常會導(dǎo)致除了本有的陀螺儀噪聲之外，還會增加一個(gè)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(dá)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(guān)系對于多軸設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。有些陀螺儀結(jié)構(gòu)帶寬有限，與降低總噪有關(guān)，而有些結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的。

這可能導(dǎo)致通過傳感器信號路徑的相位相關(guān)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(diào)濾波系統(tǒng)，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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)特定的誤差優(yōu)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(tài)應(yīng)用，而且還在極端環(huán)境條件下具有穩(wěn)定性和可預(yù)測性。

本設(shè)計(jì)使用的FOG是綜合權(quán)衡價(jià)格、性能和大小這幾種因素選擇的。FOG的帶寬、偏置穩(wěn)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(shù)。與MEMS相比，F(xiàn)OG具有更好的零偏穩(wěn)定度，角度隨機(jī)游動也有了顯著改進(jìn)。

表2：FOG規(guī)格（uFors-6U）

所有更新都用于糾正獨(dú)立INS解決方案的漂移，但更新本身也可能中斷或不準(zhǔn)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(huán)境中是可靠的。對于來自GNSS接收器的位置和速度預(yù)測，情況同樣如此，也從SBAS受益。

來自磁力計(jì)的航向預(yù)測可能由于在校準(zhǔn)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(jì)在含鐵物質(zhì)周圍也可能不精確，例如在其他車輛旁邊行駛時(shí)。因此，磁力計(jì)用于在GNSS不可用時(shí)幫助初始化系統(tǒng)，或在GNSS長時(shí)間中斷時(shí)（例如20分鐘）幫助減小航向漂移。

氣壓計(jì)用于在GNSS不可用或不精確時(shí)幫助獲取高度讀數(shù)。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(zhǔn)確的GNSS位置更新。整個(gè)導(dǎo)航軟件的設(shè)計(jì)目的是在任何GNSS條件下提供精確結(jié)果。

導(dǎo)航測試

為了正確比較兩個(gè)系統(tǒng)，我們設(shè)計(jì)了三個(gè)系統(tǒng)級導(dǎo)航基準(zhǔn)測試：

* 在具有良好GNSS信號的開放天空環(huán)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(qū)，由于存在高層建筑，GNSS解決方案質(zhì)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(dú)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(jié)果

在GPS可用且位于多個(gè)衛(wèi)星的直射范圍內(nèi)的情況下，兩個(gè)系統(tǒng)的定位和速度結(jié)果是相似的。高度角（橫滾、俯仰和航向）是我們比較的主要導(dǎo)航參數(shù)，因?yàn)樗鼈冊诤艽蟪潭壬鲜怯赏勇輧x性能決定的。

當(dāng)GNSS可用時(shí)，兩種系統(tǒng)的高度性能幾乎是相同的，但FOG具有大約5%的優(yōu)勢。

不良信號GNSS定位結(jié)果

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

現(xiàn)在，性能測試重點(diǎn)包括了定位結(jié)果，因?yàn)樵谌鄙俑哔|(zhì)量GNSS測量的情況下，陀螺儀可能對位置性能產(chǎn)生很大影響。此測試結(jié)果顯示兩個(gè)系統(tǒng)的性能相當(dāng)。但是，F(xiàn)OG系統(tǒng)高出大約20%至30%。

圖2顯示了獨(dú)立GPS解決方案的示意圖。在對復(fù)雜的中心城區(qū)行駛軌跡進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，本測試使用的高精度GPS接收器遇到了嚴(yán)重的信號反射。獨(dú)立GPS解決方案的誤差多達(dá)100米。

圖2：此圖顯示有多路徑干擾的獨(dú)立GPS解決方案結(jié)果

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

圖3：FOG/GPS集成解決方案（FOG+GPS紅色，獨(dú)立GPS藍(lán)色）

MEMS解決方案在圖4中以綠色顯示，始終在15米之內(nèi)。該解決方案更易受到不精確GNSS位置更新的影響，因?yàn)镮NS預(yù)測的權(quán)重較低。

圖4：MEMS/GPS集成解決方案（MEMS + GPS綠色，獨(dú)立GPS藍(lán)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(tǒng)以獲取車輛速度。

圖5：MEMS/GPS/OBDII集成解決方案（MEMS+GPS+OBDII綠色，獨(dú)立GPS藍(lán)色）

MEMS解決方案始終在10米之內(nèi)，甚至可能稍優(yōu)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(dú)立GPS為藍(lán)色。

獨(dú)立INS結(jié)果：示例和基準(zhǔn)

兩個(gè)系統(tǒng)之間的最后一項(xiàng)比較是獨(dú)立INS導(dǎo)航測試。系統(tǒng)使用開放天空GNSS更新進(jìn)行融合。然后斷開兩個(gè)系統(tǒng)的天線連接，持續(xù)4.5分鐘，位置漂移用作性能指標(biāo)。在此時(shí)間內(nèi)行駛的距離約為5，500米。

圖7顯示了整個(gè)軌跡。藍(lán)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(dú)立INS測試路徑

在這次GNSS中斷期間，F(xiàn)OG系統(tǒng)的運(yùn)行情況很好，最大漂移為7米，如圖8所示。5分鐘之后，F(xiàn)OG系統(tǒng)的典型漂移性能基準(zhǔn)測試結(jié)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(dú)立FOG漂移

在沒有GNSS更新的情況下，MEMS系統(tǒng)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(jì)導(dǎo)致的。MEMS系統(tǒng)的基準(zhǔn)測試結(jié)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(dú)立MEMS漂移

為MEMS系統(tǒng)添加OBDII更新之后，漂移改進(jìn)至小于10米，與FOG解決方案相當(dāng)。在沒有GNSS更新的情況下，帶有OBDII的MEMS系統(tǒng)的典型基準(zhǔn)性能在5分鐘之后產(chǎn)生大約30米的位置漂移，也與FOG基準(zhǔn)結(jié)果相當(dāng)。

圖10：帶有OBDII的MEMS系統(tǒng)的漂移

結(jié)束語

FOG和MEMS兩者相比非常接近，特別是現(xiàn)在MEMS的性能正在接近FOG戰(zhàn)術(shù)級性能水平。FOG仍然在性能上具有優(yōu)勢，但其成本卻比MEMS高出10倍。如果可以使用GNSS，而且應(yīng)用的目的是在開放天空環(huán)境中運(yùn)行，則MEMS可以取代一些低端FOG。如果應(yīng)用的目的是在信號不良的GNSS環(huán)境中使用，MEMS也可以取代一些FOG 系統(tǒng)，但性能要低20%至30%。

在獨(dú)立INS性能方面，F(xiàn)OG仍然具有優(yōu)勢，但如果應(yīng)用能夠接收車輛或平臺速度更新，則MEMS系統(tǒng)可以達(dá)到與獨(dú)立FOG系統(tǒng)相同的水平。隨著MEMS技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，以及其他傳感器（例如OBDII）的輔助，MEMS取代FOG技術(shù)可能在不久的將來實(shí)現(xiàn)。