MEMS和FOG的精确导航 技术比较

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,因为它提供更好的误差特性和环境稳定性、更高的带宽和更出色的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受益极大,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1000 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。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(检测航向和俯仰角)、一个MEMS陀螺仪(检测滚动)、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)约为8,000美元(小批量)。

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,总成本约为1,000美元(小批量)。这些系统的价格可能随着市场条件和订货量而波动,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。

表1 MEMS IMU规格 (ADIS16485)
  测量 单位
陀螺仪 带宽 330 Hz
偏置不稳定度 6.25 deg/hr
角向随机游动 0.3 deg/sqrt(hr)
g灵敏度 0.009 deg/s/g
加速度计 带宽 330 Hz
偏置不稳定度 32 µg
速度随机游动 0.023 m/s/sqrt(hr)

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,使得谐振器的必需响应范围最小,位于高度线性区,并且提供高抗振动性能。

由于MEMS陀螺仪和加速度计集成到多轴IMU中(参见图1),传感器的x/y/z正交性可能成为主要误差源。通常将这种误差规定为跨轴灵敏度或对准误差。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CrossAxisSensitivity*YawRate,即使滚动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。

Figure 1

图1. MEMS IMU配置(ADIS16485)

可用带宽及其与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,与总降噪有关,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、性能和尺寸这几种因素选择的。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具有更好的偏置稳定度,角向随机游动也有了显著改进。

表2. FOG规格(uFors-6U)
  性能测量 Value Units
陀螺仪 带宽 1000 Hz
偏置稳定性 3 deg/hr
角向随机游动 0.1 deg/sqrt(hr)

导航软件

实时导航软件在1,000 Hz下处理解决方案,结合使用传统的SINS机制和测量更新。测量更新来自多个来源,包括:

  1. GNSS位置和速度
  2. 双天线航向更新
  3. 磁力计航向更新
  4. 气压计高度更新
  5. 来自车辆OBDII的可选速度更新

所有更新都用于纠正仅INS解决方案的漂移,但更新本身也可能中断或不准确。

双天线航向更新具有良好的精确度,但易受多路径影响。因此,双天线航向更新仅在开放天空环境中是可靠的。对于来自GNSS接收器的位置和速度预测,情况同样如此,也会从SBAS受益。

来自磁力计的航向预测可能由于在校准期间的垂直可观察性不佳,而受到较大倾斜角的影响。磁力计在含铁物质周围也可能不精确,例如在其他车辆旁边行驶时。因此,磁力计用于在GNSS不可用时帮助初始化系统,或在GNSS长时间中断时(例如20分钟)帮助减小航向漂移。

气压计用于在GNSS不可用或不精确时帮助获取高度读数。速度更新用于在没有GNSS更新的情况下防止速度漂移,特别是在沿航迹方向。这些速度更新也可帮助减少解决方案的位置不确定性,这有助于抑制不准确的GNSS位置更新。整个导航软件的设计目的是在任何GNSS条件下提供精确结果。

导航测试

为了正确比较两个系统,我们设计了三个系统级导航基准测试:

  1. 在具有良好GNSS信号的开放天空环境下评估滚动、俯仰和航向的精确性。
  2. GNSS多路径场景,例如在城市中心区,由于存在高层建筑,GNSS解决方案质量可能不好。本测试的目的是比较滤波位置性能,它也会显示高度和速度误差。
  3. 仅INS性能测试,旨在评估INS位置漂移,也代表速度和高度性能。

开放天空高度结果

GPS可用且位于多个卫星的直射范围内的情况下,两个系统的定位和速度结果是相似的。方位角(滚动、俯仰和航向)是我们比较的主要导航参数,因为它们在很大程度上是由陀螺仪性能决定的。

表3. 开放天空高度结果
  FOG MEMS
滚动RMS误差(度) 0.08 0.10
俯仰RMS误差(度) 0.08 0.10
航向RMS误差(度) 0.13 0.14

当GNSS可用时,两种系统的高度性能几乎是相同的,但FOG具有大约5%的优势。

不良信号GNSS定位结果

下一个测试的目标是在存在GNSS多路径的情况下比较两个系统。行驶轨迹位于卡尔加里市的中心城区,包括一些很窄的小巷,车行缓慢,同时周围布满高层建筑。

现在,性能测试重点包括了定位结果,因为在缺少高质量GNSS测量的情况下,陀螺仪可能对位置性能产生很大影响。此测试结果显示两个系统的性能相当。但是,FOG系统高出大约20%至30%。

图2显示了仅GPS解决方案的示意图。在对复杂的中心城区行驶轨迹进行导航时,本测试使用的高精度GPS接收器遇到了严重的信号反射。仅GPS解决方案的误差多达100米。

Figure 2

图2. 多路径下仅使用GPS的结果

红色的FOG集成解决方案(图3)清晰显示中心城区车辆的行驶路径,精确到10米以内。

Figure 3

图3. FOG/GPS集成解决方案(FOG+GPS为红色,仅GPS为蓝色)

MEMS解决方案在图4中以绿色显示,始终在15米之内。该解决方案更易受到不精确GNSS位置更新的影响,因为INS预测的权重较低。

Figure 4

图4. MEMS/GPS集成解决方案(MEMS + GPS为绿色,仅GPS为蓝色)

为帮助MEMS解决方案克服不精确的GPS更新,我们使用了额外的传感器。图5显示将OBDII添加到系统以获取车辆速度。

Figure 5

图5. MEMS/GPS/OBDII集成解决方案(MEMS + GPS + OBDII为绿色,仅GPS为蓝色)

MEMS解决方案始终在10米之内,甚至可能稍优于没有OBDII的FOG,如图6中的放大图所示。

Figure 6

图6.带有 OBDII的MEMS(绿色)与没有OBDII的FOG(红色)、仅GPS(蓝色)比较

仅INS结果:示例和基准

两个系统之间的最后一项比较是仅INS导航测试。系统使用开放天空GNSS更新进行融合。然后断开两个系统的天线连接,持续4.5分钟,位置漂移用作性能指标。在此时间内行驶的距离约为5500米。

图7显示了整个轨迹。蓝色直线从右下方延伸至左上方,在右下方GPS断开连接,在左上方GPS重新连接。

Figure 7

图7. 仅INS测试路径

在这次GNSS中断期间,FOG系统的运行情况很好,最大漂移为7米,如图8所示。5分钟之后,FOG系统的典型漂移性能基准测试结果为25米,因此这次特殊中断的情况略好于典型性能。

Figure 8

图8. 仅FOG漂移


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