【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(kāi)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(kāi)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(méi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(méi)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(méi)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(kāi)放天空GNSS更新進(jìn)行融合。然后斷開(kāi)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(kāi)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(méi)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(méi)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(méi)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(kāi)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)。
參考電路
Gelb, A. “Applied Optimal Estimation.” The M.I.T. Press. Massachusetts Institute of Technology. Cambridge, Massachusetts, USA, 1974.
Grewal, MS; Weill, LR; Andrews, AP. “Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration.” John Wiley and Sons, Inc., 2001, USA.
Groves, PD. "Principles of GPS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems." Artech House, 2008, Boston, USA.
Meditch, J. S. “Stochastic Optimal Linear Estimation and Control.” McGraw-Hill, Inc., USA, 1969.
Niu, X., S. Nassar, Z. Syed, C. Goodall, and N. El-Sheimy. “The Development of an Accurate MEMS-Based
Inertial/GPS System for Land-Vehicle Navigation Applications.” Proceedings of the ION GNSS 2006. Fort Worth, Texas, USA, September 26-29, 2006.
Schmidt, G.T. “INS/GPS Technology Trends.” NATO RTO Lecture Series, RTO-EN-SET, Massachusetts, USA, 2010.
Skog, I., “Low-Cost Navigation Systems—A Study of Four Problems.” Doctoral Thesis in Signal Processing. KTH Electrical Engineering, Stockholm, Sweden, 2009.
本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體。
推薦閱讀：
