為了確定用於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製，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。

 

 

過去幾年中，MEMS在導航行業日益受到青睞，因為它提供更好的誤差特性和環境穩定性、更高的帶寬和更出色的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。

 

新的精密慣性導航係統(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。

 

機器控製應用也可以得益於MEMS技術的進步。以前，用戶偏好價格30,000美元以上的FOG或RLG導航係統，因為其精確度和可靠性比具有代表性的1,000美元MEMS導航係統高出20倍。低成本MEMS導航係統的改進使很多應用受益極大，精密農業和UGV/UAV/USV便是其中兩個典型的例子。

 

 

本(ben)例(li)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)導(dao)航(hang)係(xi)統(tong)的(de)設(she)計(ji)目(mu)的(de)是(shi)為(wei)電(dian)機(ji)提(ti)供(gong)高(gao)速(su)率(lv)的(de)高(gao)度(du)輸(shu)出(chu)，然(ran)後(hou)該(gai)電(dian)機(ji)再(zai)讓(rang)車(che)輛(liang)頂(ding)棚(peng)上(shang)的(de)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)達(da)到(dao)穩(wen)定(ding)。天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)的(de)用(yong)途(tu)是(shi)維(wei)持(chi)與(yu)地(di)球(qiu)同(tong)步(bu)衛(wei)星(xing)之(zhi)間(jian)的(de)通(tong)信(xin)。

 

該導航係統用作束帶式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1000 Hz頻率流向導航濾波器，這些數據包用於預測位置、速度和高度。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並行發生。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。

 

該係統可在兩種硬件配置中工作。第一種配置包括兩個FOG(檢測航向和俯仰角)、一個MEMS陀螺儀(檢測滾動)、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)約為8,000美元(小批量)。

 

第二種配置包含三個MEMS陀螺儀(用於檢測所有方位角)，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，總成本約為1,000美元(小批量)。這些係統的價格可能隨著市場條件和訂貨量而波動，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。這種係統的主要限製是帶寬要求高。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。對於普通車輛導航

，這一點還不會產生影響
，但此係統是針對需要適應高速率控製的應用設計的。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。為本係統選擇的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。

 

表1 MEMS IMU規格 (ADIS16485)

 

慣性MEMS的采用率處於上升態勢。因此
，人們為發展該技術進行了大量投資。

 

本係統中使用的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gxingnengzhijiandadaoleyouhuapingheng。wanquanchafensixiezhenqiyupianneigaoxingnengxinhaotiaolimiqiepeihe，shidexiezhenqidebixuxiangyingfanweizuixiao，weiyugaoduxianxingqu，bingqietigonggaokangzhendongxingneng。

 

由於MEMS陀螺儀和加速度計集成到多軸IMU中(參見圖1)，傳感器的x/y/z正交性可能成為主要誤差源。通常將這種誤差規定為跨軸靈敏度或對準誤差。常見規格是±2%跨軸靈敏度。本係統的IMU具有0.087%的跨軸靈敏度(0.05度正交性)。更(geng)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)
，由(you)於(yu)器(qi)件(jian)特(te)定(ding)的(de)校(xiao)準(zhun)在(zai)出(chu)廠(chang)前(qian)完(wan)成(cheng)，此(ci)規(gui)格(ge)在(zai)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)有(you)效(xiao)。對(dui)於(yu)特(te)定(ding)旋(xuan)轉(zhuan)速(su)率(lv)，例(li)如(ru)在(zai)偏(pian)航(hang)軸(zhou)上(shang)，正(zheng)交(jiao)軸(zhou)的(de)速(su)率(lv)輸(shu)出(chu)等(deng)於(yu)CrossAxisSensitivity*YawRate

，即使滾動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)

 

可用帶寬及其與跨軸相位匹配能力的關係對於多軸設計也至關重要。有些陀螺儀結構帶寬有限，與總降噪有關，而有些結構帶寬有限(通常低於100 Hz)是(shi)由(you)於(yu)反(fan)饋(kui)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)處(chu)理(li)導(dao)致(zhi)的(de)。這(zhe)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)通(tong)過(guo)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)的(de)相(xiang)位(wei)相(xiang)關(guan)誤(wu)差(cha)波(bo)動(dong)增(zeng)加(jia)
，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)卡(ka)爾(er)曼(man)濾(lv)波(bo)器(qi)中(zhong)。MEMS IMU的可用帶寬為330 Hz
，caiyongqianrushideketiaolvboxitong，tigonghelipinghengdefangfa，zuidachengdudijianshaozongwuchayuan，bingtongguoqianrushilvboshixianxitongtedingdewuchayouhua，jibianzaichangzhongyeshiruci。

 

在此MEMS IMUzhongshiyongdehexinchuanganqijuyouguyoudezhendongyizhinenglihexianxingdu，bujinshidetamendexingnengshihegaodongtaiyingyong，erqiehaizaijiduanhuanjingtiaojianxiajuyouwendingxinghekeyucexing。

 

本設計使用的FOG是綜合權衡價格、性能和尺寸這幾種因素選擇的。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具有更好的偏置穩定度
，角向隨機遊動也有了顯著改進。

 

表2. FOG規格(uFors-6U)

 

 

實時導航軟件在1,000 Hz下處理解決方案，結合使用傳統的SINS機製和測量更新。測量更新來自多個來源
，包括：

 

 

所有更新都用於糾正僅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。對於來自GNSS接收器的位置和速度預測，情況同樣如此，也會從SBAS受益。

 

來(lai)自(zi)磁(ci)力(li)計(ji)的(de)航(hang)向(xiang)預(yu)測(ce)可(ke)能(neng)由(you)於(yu)在(zai)校(xiao)準(zhun)期(qi)間(jian)的(de)垂(chui)直(zhi)可(ke)觀(guan)察(cha)性(xing)不(bu)佳(jia)，而(er)受(shou)到(dao)較(jiao)大(da)傾(qing)斜(xie)角(jiao)的(de)影(ying)響(xiang)。磁(ci)力(li)計(ji)在(zai)含(han)鐵(tie)物(wu)質(zhi)周(zhou)圍(wei)也(ye)可(ke)能(neng)不(bu)精(jing)確(que)，例(li)如(ru)在(zai)其(qi)他(ta)車(che)輛(liang)旁(pang)邊(bian)行(xing)駛(shi)時(shi)。因(yin)此(ci)

，磁(ci)力(li)計(ji)用(yong)於(yu)在(zai)GNSS不可用時幫助初始化係統，或在GNSS長時間中斷時(例如20分鍾)幫助減小航向漂移。

 

氣壓計用於在GNSS不可用或不精確時幫助獲取高度讀數。速度更新用於在沒有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
，這有助於抑製不準確的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。

 

 

為了正確比較兩個係統，我們設計了三個係統級導航基準測試：

 

 

在GPS可用且位於多個衛星的直射範圍內的情況下
，兩個係統的定位和速度結果是相似的。方位角(滾動、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。

 

表3. 開放天空高度結果

 

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

 

 

下一個測試的目標是在存在GNSS多路徑的情況下比較兩個係統。行駛軌跡位於卡爾加裏市的中心城區
，包括一些很窄的小巷，車行緩慢，同時周圍布滿高層建築。

 

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係統的性能相當。但是

，FOG係統高出大約20%至30%。

 

圖2顯示了僅GPS解決方案的示意圖。在對複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。僅GPS解決方案的誤差多達100米。

 

圖2. 多路徑下僅使用GPS的結果

 

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為紅色，僅GPS為藍色)

 

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為綠色，僅GPS為藍色）

 

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添加到係統以獲取車輛速度。

 

圖5. MEMS/GPS/OBDII集成解決方案(MEMS + GPS + OBDII為綠色，僅GPS為藍色)

 

MEMS解決方案始終在10米之內


，甚至可能稍優於沒有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)、僅GPS(藍色)比較

 

 

兩個係統之間的最後一項比較是僅INS導航測試。係統使用開放天空GNSS更新進行融合。然後斷開兩個係統的天線連接，持續4.5分鍾，位置漂移用作性能指標。在此時間內行駛的距離約為5500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. 僅INS測試路徑

 

在這次GNSS中斷期間
，FOG係統的運行情況很好
，最大漂移為7米，如圖8所示。5分鍾之後，FOG係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於典型性能。

 

圖8. 僅FOG漂移

 

在沒有GNSS更新的情況下

，MEMS係統在4.5分鍾之後的漂移為75米。此類漂移大多為沿航跡誤差，主要是由於加速計導致的。MEMS係統的基準測試結果是在沒有GNSS更新的情況下，5分鍾後的典型漂移為75米
，比FOG漂移大三倍左右。

 

圖9. 僅MEMS漂移

 

為MEMS係統添加OBDII更新之後，漂移改進至小於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係統的典型基準性能在5分鍾之後產生大約30米的位置漂移，也與FOG基準結果相當。

 

圖10. 帶有OBDII的MEMS係統的漂移

 

 

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 係統，但性能要低20%至30%。

 

在獨立INS性能方麵，FOG仍然具有優勢，但如果應用能夠接收車輛或平台速度更新
，則MEMS係統可以達到與獨立FOG係統相同的性能水平。

 

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。

 

 

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本文轉載自亞德諾半導體。