MEMS陀螺儀系統(tǒng)的精確導(dǎo)航

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，是現(xiàn)代航空，航海，航天和國(guó)防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器。光纖陀螺儀FOG一度是環(huán)形激光陀螺儀RLG的低成本替代，隨著MEMS陀螺儀的興起，在車(chē)輛導(dǎo)航、機(jī)械控制等領(lǐng)域，精確導(dǎo)航的競(jìng)爭(zhēng)一直在對(duì)峙。

導(dǎo)航核心——陀螺慣性測(cè)量單元

在高精度的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，陀螺慣性測(cè)量單元是絕對(duì)的核心。很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，激光陀螺儀都是中高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)中的核心慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的選擇。尤其是高精度應(yīng)用中，其主導(dǎo)地位是不可替代的。

環(huán)形激光陀螺儀RLG采用環(huán)式激光儀，在同一光路中反向傳播同一光源輸出的激光，通過(guò)薩格納克效應(yīng)來(lái)檢測(cè)外界環(huán)形的旋轉(zhuǎn)角速度。

由于激光陀螺系統(tǒng)具有較高的精度和優(yōu)良的特性，所以除了把激光陀螺系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航儀器或者方向羅盤(pán)去使用，還能去標(biāo)定或者分析其它導(dǎo)航系統(tǒng)的精度情況。標(biāo)定其它系統(tǒng)的精度和效果，是高精度的激光陀螺儀導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其它導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)突出應(yīng)用。

但為人詬病的是，其成本較高。隨著光纖陀螺儀FOG的出現(xiàn)和發(fā)展，F(xiàn)OG一度成為環(huán)形激光陀螺儀RLG低成本的替代方案。光纖陀螺FOG和環(huán)形激光陀螺RLG一樣，沒(méi)有機(jī)械活動(dòng)部件，成本更低。

光纖陀螺FOG基于薩格納克效應(yīng)，通過(guò)改變光纖的長(zhǎng)度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。

隨著MEMS陀螺儀的興起，光纖陀螺FOG也面臨著新的競(jìng)爭(zhēng)。MEMS陀螺儀的快速發(fā)展不斷搶奪傳統(tǒng)FOG的應(yīng)用市場(chǎng)份額。由分立的慣性測(cè)量單元組合成的三軸、六軸、九軸IMU，將加速度傳感器、陀螺儀、磁傳感器等MEMS器件集成在一起實(shí)現(xiàn)“芯片級(jí)導(dǎo)航”。

MEMS陀螺儀其原理與加速度計(jì)工作原理相似，陀螺儀的上層活動(dòng)金屬與下層金屬形成電容，通過(guò)電容變化來(lái)識(shí)別角速率。

MEMS系統(tǒng)與FOG系統(tǒng)的精確導(dǎo)航競(jìng)爭(zhēng)

MEMS系統(tǒng)在導(dǎo)航領(lǐng)域受到的青睞越來(lái)越多，因?yàn)樗峁┝烁叩恼`差特性、更高的環(huán)境穩(wěn)定性、更高的帶寬以及出色的靈敏度。

特性上的優(yōu)勢(shì)是一方面，隨著嵌入式運(yùn)算應(yīng)用得日益廣泛，可以運(yùn)行更高級(jí)融合和傳感誤差算法的“芯片級(jí)導(dǎo)航”也的確展現(xiàn)出了其更為靈活的優(yōu)勢(shì)。

機(jī)器控制領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)有很多MEMS的應(yīng)用。此前，這種應(yīng)用不是選擇RLG就是選擇FOG系統(tǒng)，在精確度和可靠性上的確非常高。但低成本MEMS的不斷改良，性能上其實(shí)已經(jīng)不會(huì)有明顯差別，同時(shí)成本能降低數(shù)倍。

在成本的考量上，F(xiàn)OG系統(tǒng)的成本通常比MEMS系統(tǒng)高出近十倍。除非是在偏高端的應(yīng)用市場(chǎng)，這種成本差距不用考慮。在絕大多數(shù)現(xiàn)在的車(chē)輛導(dǎo)航、機(jī)械控制等領(lǐng)域，F(xiàn)OG的性能優(yōu)勢(shì)已經(jīng)并不明顯了。

在獨(dú)立的精密慣導(dǎo)系統(tǒng)系統(tǒng)INS環(huán)境中，F(xiàn)OG系統(tǒng)還有性能上的優(yōu)勢(shì)。但在很多GNSS環(huán)境中，MEMS系統(tǒng)已經(jīng)完全可以取代低端FOG系統(tǒng)。

小結(jié)

隨著MEMS技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，加之其他傳感器的輔助，MEMS系統(tǒng)在精確導(dǎo)航領(lǐng)域越走越遠(yuǎn)，在常見(jiàn)的精確導(dǎo)航應(yīng)用中完全取代FOG系統(tǒng)的進(jìn)程也會(huì)加快。