MEMS可否取代光纤陀螺仪技术？

光纤陀螺仪(FOG)以前曾经是环形激光陀螺仪(RLG)等其他技术的低成本替代品，现在该技术面临着新的竞争。微机电系统(MEMS)陀螺仪开始抢夺传统FOG应用的市场份额。具体来说，天线阵列稳定、农业机械控制、常规车辆导航成为MEMS和FOG对峙的战场。

为了确定用于导航应用的这两种技术之间的相似点，我们将对选定的高端MEMS陀螺仪与低端FOG陀螺仪进行比较。我们在分析中使用了导航软件和测试案例作为控制，以确定MEMS是否真正为在战术导航性能水平上使用做好了准备。

MEMS用于精确导航

过去几年中，MEMS在导航行业日益受到青睐，因为它提供了经过改进的误差特性和环境稳定性，以及更多的带宽和更出色的g灵敏度，而且嵌入式运算能力的应用日益广泛，可以运行高级融合和传感器误差建模算法。

新的精密惯性导航系统(INS)市场正在形成气候，MEMS技术也在进入以往被FOG技术主导的市场。从FOG到MEMS技术的一个明显转变是天线阵列稳定应用。

机器控制应用也可以得益于MEMS技术的进步。以前，用户偏好价格30,000美元以上的FOG或RLG导航系统，因为其精确度和可靠性比具有代表性的1,000美元MEMS导航系统高出20倍。低成本MEMS导航系统的改进使很多应用极大受益，精密农业和UGV/UAV/USV便是其中两个典型的例子。

实时导航硬件

本例中使用的导航系统的设计目的是为电机提供高速率的高度输出，然后该电机再让车辆顶棚上的天线阵列达到稳定。天线阵列的用途是维持与地球同步卫星之间的通信。

该导航系统用作束带式INS/GNSS导航器，提供高速率的位置和速度数据。惯性测量单元(IMU)数据以1,000 Hz频率流向导航滤波器，这些数据包用于预测位置、速度和高度解决方案。从双天线获取的GNSS位置、速度和航向用作对导航滤波器的更新。当GNSS不可用时，则使用磁力计来帮助初始化航向。使用气压计来帮助确定高度。

特殊校准程序与导航滤波器并行发生。这些程序校准磁力计、双天线安装对准误差、IMU安装对准误差，还校准车辆振动水平以便进行静态期检测。

该系统可在两种硬件配置中工作。第一种配置包括两个FOG(检测航向角和俯仰角)、一个MEMS陀螺仪（检测横滚）、三轴MEMS加速度计、三轴MEMS磁力计、MEMS气压计，传感器硬件的总物料成本(BOM)为大约8,000美元(小批量售价)。

第二种配置包含三个MEMS陀螺仪(用于检测所有方位角)，以及与前一种配置相同的三轴MEMS加速度计、三轴MEMS磁力计和MEMS气压计，总成本为大约1,000美元(小批量售价)。这些系统的价格可能随着市场条件和售量而波动，但通常而言，FOG的价格比MEMS高出八至十倍。

为此设计选择的MEMS陀螺仪和加速度计具有在同一价位中非常出色的偏置稳定度、正交性、g灵敏度和带宽。这种系统的主要限制是带宽要求高。很多MEMS加速度计提供高带宽，但MEMS陀螺仪通常仅有100 Hz或更低的带宽。

对于普通车辆导航，这一点还不会产生影响，但此系统是针对需要适应高速率控制的应用设计的。此外还有几种MEMS陀螺仪提供良好的偏置稳定度，但带宽降低或噪声很高。为本系统选择的MEMS陀螺仪在带宽和性能之间达到了平衡。表1给出了所选MEMS的实际规格。

惯性MEMS的采用率处于上升态势。因此，人们为发展该技术进行了大量投资。

本系统中使用的MEMS陀螺仪采用多核架构，该架构在稳定度、噪声、线性度和线性g性能之间达到了优化平衡。完全差分四谐振器与片内高性能信号调理密切配合，从而使得谐振器的必需响应范围最小，位于高度线性区，并且提供高度的振动抑制。

由于MEMS陀螺仪和加速度计集成到多轴IMU中(请参见图1)，传感器的x/y/z正交性可能成为主要误差源。主要误差源往往由跨轴灵敏度或对准误差指定。常见规格是±2%跨轴灵敏度。本系统的IMU具有0.087%的跨轴灵敏度(0.05°度正交性)。更重要的是，由于器件特定的校准在出厂前完成，此规格在温度范围内有效。

对于特定旋转速率，例如在偏航轴上，正交轴的速率输出等于跨轴轴灵敏度乘以偏航率(Cross Axis Sensitivity*Yaw Rate)，即使横滚轴和俯仰轴上的实际旋转为零。2%的跨轴误差通常会导致除了本有的陀螺仪噪声之外，还会增加一个数量级的轴外噪声；而此处IMU的0.087%灵敏度与本有的陀螺仪噪声水平达到精确平衡。

图1：MEMS IMU配置(ADIS16485)

可用带宽及其跨轴相位匹配能力的关系对于多轴设计也至关重要。有些陀螺仪结构带宽有限，与降低总噪有关，而有些结构带宽有限(通常低于100 Hz)是由于反馈电子器件中使用的传感器处理导致的。

这可能导致通过传感器信号路径的相位相关误差波动增加，特别是在卡尔曼滤波器中。MEMS IMU的可用带宽为330 Hz，采用嵌入式的可调滤波系统，提供合理平衡的方法，最大程度地减少总误差源，并通过嵌入式滤波实现系统特定的误差优化，即便在场中也是如此。

在此MEMS IMU中使用的核心传感器具有固有的振动抑制能力和线性度，不仅使得它们的性能适合高动态应用，而且还在极端环境条件下具有稳定性和可预测性。

本设计使用的FOG是综合权衡价格、性能和大小这几种因素选择的。FOG的带宽、偏置稳定度和噪声水平是最终选择传感器的决定性因素。表2给出了重要的性能参数。与MEMS相比，FOG具有更好的零偏稳定度，角度随机游动也有了显著改进。