【導(dǎo)讀】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(jìng)爭(zhēng)。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(chǎng)份額。具體來(lái)說(shuō)，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(duì)峙的戰(zhàn)場(chǎng)。
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(duì)選定的高端MEMS陀螺儀與低端FOG陀螺儀進(jìn)行比較。我們?cè)诜治鲋惺褂昧藢?dǎo)航軟件和測(cè)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└玫恼`差特性和環(huán)境穩(wěn)定性、更高的帶寬和更出色的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(jí)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(chǎng)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(chǎng)。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)用受益極大，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(cè)量單元(IMU)數(shù)據(jù)以1000 Hz頻率流向?qū)Ш綖V波器，這些數(shù)據(jù)包用于預(yù)測(cè)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(duì)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(lái)幫助初始化航向。使用氣壓計(jì)來(lái)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(duì)準(zhǔn)誤差、IMU安裝對(duì)準(zhǔn)誤差，還校準(zhǔn)車輛振動(dòng)水平以便進(jìn)行靜態(tài)期檢測(cè)。
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(cè)航向和俯仰角)、一個(gè)MEMS陀螺儀(檢測(cè)滾動(dòng))、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)約為8,000美元(小批量)。
第二種配置包含三個(gè)MEMS陀螺儀(用于檢測(cè)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)，總成本約為1,000美元(小批量)。這些系統(tǒng)的價(jià)格可能隨著市場(chǎng)條件和訂貨量而波動(dòng)，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(duì)于普通車輛導(dǎo)航，這一點(diǎn)還不會(huì)產(chǎn)生影響，但此系統(tǒng)是針對(duì)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。
表1 MEMS IMU規(guī)格 (ADIS16485)
慣性MEMS的采用率處于上升態(tài)勢(shì)。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(hào)調(diào)理密切配合，使得諧振器的必需響應(yīng)范圍最小，位于高度線性區(qū)，并且提供高抗振動(dòng)性能。
由于MEMS陀螺儀和加速度計(jì)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(guī)定為跨軸靈敏度或?qū)?zhǔn)誤差。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(duì)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CrossAxisSensitivity*YawRate，即使?jié)L動(dòng)軸和俯仰軸上的實(shí)際旋轉(zhuǎn)為零。2%的跨軸誤差通常會(huì)導(dǎo)致除了本有的陀螺儀噪聲之外，還會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)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)
可用帶寬及其與跨軸相位匹配能力的關(guān)系對(duì)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，與總降噪有關(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(hào)路徑的相位相關(guān)誤差波動(dòng)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(chǎng)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(dòng)抑制能力和線性度，不僅使得它們的性能適合高動(dòng)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(cè)性。
本設(shè)計(jì)使用的FOG是綜合權(quán)衡價(jià)格、性能和尺寸這幾種因素選擇的。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具有更好的偏置穩(wěn)定度，角向隨機(jī)游動(dòng)也有了顯著改進(jìn)。
表2. FOG規(guī)格(uFors-6U)
導(dǎo)航軟件
實(shí)時(shí)導(dǎo)航軟件在1,000 Hz下處理解決方案，結(jié)合使用傳統(tǒng)的SINS機(jī)制和測(cè)量更新。測(cè)量更新來(lái)自多個(gè)來(lái)源，包括：
- GNSS位置和速度
- 雙天線航向更新
- 磁力計(jì)航向更新
- 氣壓計(jì)高度更新
- 來(lái)自車輛OBDII的可選速度更新
所有更新都用于糾正僅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(duì)于來(lái)自GNSS接收器的位置和速度預(yù)測(cè)，情況同樣如此，也會(huì)從SBAS受益。
來(lái)自磁力計(jì)的航向預(yù)測(cè)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(zhǎng)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(cè)試
為了正確比較兩個(gè)系統(tǒng)，我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)系統(tǒng)級(jí)導(dǎo)航基準(zhǔn)測(cè)試：
- 在具有良好GNSS信號(hào)的開放天空環(huán)境下評(píng)估滾動(dòng)、俯仰和航向的精確性。
- GNSS多路徑場(chǎng)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(cè)試的目的是比較濾波位置性能，它也會(huì)顯示高度和速度誤差。
- 僅INS性能測(cè)試，旨在評(píng)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。方位角(滾動(dòng)、俯仰和航向)是我們比較的主要導(dǎo)航參數(shù)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诤艽蟪潭壬鲜怯赏勇輧x性能決定的。
表3. 開放天空高度結(jié)果
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(shì)。
不良信號(hào)GNSS定位結(jié)果
下一個(gè)測(cè)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(cè)試重點(diǎn)包括了定位結(jié)果，因?yàn)樵谌鄙俑哔|(zhì)量GNSS測(cè)量的情況下，陀螺儀可能對(duì)位置性能產(chǎn)生很大影響。此測(cè)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顯示了僅GPS解決方案的示意圖。在對(duì)復(fù)雜的中心城區(qū)行駛軌跡進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，本測(cè)試使用的高精度GPS接收器遇到了嚴(yán)重的信號(hào)反射。僅GPS解決方案的誤差多達(dá)100米。
圖2. 多路徑下僅使用GPS的結(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為紅色，僅GPS為藍(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(cè)的權(quán)重較低。
圖4. MEMS/GPS集成解決方案(MEMS + GPS為綠色，僅GPS為藍(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為綠色，僅GPS為藍(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)、僅GPS(藍(lán)色)比較
僅INS結(jié)果：示例和基準(zhǔn)
兩個(gè)系統(tǒng)之間的最后一項(xiàng)比較是僅INS導(dǎo)航測(cè)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5500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. 僅INS測(cè)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(cè)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. 僅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(cè)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. 僅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(yǔ)
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(jí)性能水平。FOG仍然在性能上具有優(yōu)勢(shì)，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(hào)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(shì)，但如果應(yīng)用能夠接收車輛或平臺(tái)速度更新，則MEMS系統(tǒng)可以達(dá)到與獨(dú)立FOG系統(tǒng)相同的性能水平。
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(lái)實(shí)現(xiàn)。
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本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體。
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