【導(dǎo)讀】MEMS因其優(yōu)異的性能在導(dǎo)航行業(yè)倍受青睞，以往以FOG技術(shù)為主導(dǎo)的市場也開始被MEMS搶奪，本文通過使用導(dǎo)航軟件和測試案例作為控制，對兩種技術(shù)進(jìn)行對比，以確定MEMS是否真的能在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航性能水平上使用。
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，因為它提供了經(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，用戶偏好價格30,000美元以上的FOG或RLG導(dǎo)航系統(tǒng)，因為其精確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便是其中兩個典型的例子。
實時導(dǎo)航硬件
本例中使用的導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計目的是為電機(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綖V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，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(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、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(tǒng)的價格可能隨著市場條件和售量而波動，但通常而言，F(xiàn)OG的價格比MEMS高出八至十倍。
在本設(shè)計中所選擇的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(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加速度計提供高帶寬，但MEMS陀螺儀通常僅有100 Hz或更低的帶寬。
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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的實際規(guī)格。
表1：MEMS IMU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，即使橫滾軸和俯仰軸上的實際旋轉(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。
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本設(shè)計使用的FOG是綜合權(quán)衡價格、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。因此，磁力計用于在GNSS不可用時幫助初始化系統(tǒng)，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(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。整個導(dǎo)航軟件的設(shè)計目的是在任何GNSS條件下提供精確結(jié)果。
導(dǎo)航測試
為了正確比較兩個系統(tǒng)，我們設(shè)計了三個系統(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可用且位于多個衛(wèi)星的直射范圍內(nèi)的情況下，兩個系統(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)，因為它們在很大程度上是由陀螺儀性能決定的。
當(dāng)GNSS可用時，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
下一個測試的目標(biāo)是在存在GNSS多路徑的情況下比較兩個系統(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，因為在缺少高質(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)果顯示兩個系統(tǒng)的性能相當(dāng)。但是，F(xiàn)OG系統(tǒng)高出大約20%至30%。
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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，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，因為INS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)
兩個系統(tǒng)之間的最后一項比較是獨(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)。在此時間內(nèi)行駛的距離約為5,500米。
圖7顯示了整個軌跡。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)果分析
可以看到，F(xiàn)OG和MEMS兩者相比十分接近，尤其是如今MEMS的性能正在接近FOG戰(zhàn)術(shù)級性能水平。雖然FOG在性能上仍具有優(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%。
而在獨(dú)立INS性能方面，F(xiàn)OG仍具有優(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。我們相信，隨著MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及其他傳感器(如OBDII)的輔助，MEMS取代FOG技術(shù)將指日可待。
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