光纤陀螺仪（FOG）曾经曾经是环形激光陀螺仪（RLG）等其他技能的低本钱替代品，现在该技能面临着新的竞赛。微机电体系（MEMS）陀螺仪开端争夺传统FOG运用的商场份额。具体来说，天线阵列安稳、农业机械操控、惯例车辆导航成为MEMS和FOG坚持的战场。
为了确认用于导航运用的这两种技能之间的类似点，咱们将对选定的高端MEMS陀螺仪与低端FOG陀螺仪进行比较。咱们在剖析中运用了导航软件和测验事例作为操控，以确认MEMS是否真正为在战术导航功能水平上运用做好了预备。
MEMS用于准确导航
曩昔几年中，MEMS在导航职业日益遭到喜爱，因为它供给了经过改善的差错特性和环境安稳性，以及更多的带宽和更超卓的g灵敏度，并且嵌入式运算才能的运用日益广泛，能够运转高档交融和传感器差错建模算法。
新的精细惯性导航体系（INS）商场正在构成气候，MEMS技能也在进入以往被FOG技能主导的商场。从FOG到MEMS技能的一个显着改变是天线阵列安稳运用。
机器操控运用也能够得益于MEMS技能的前进。曾经，用户偏好价格30，000美元以上的FOG或RLG导航体系，因为其准确度和牢靠性比具有代表性的1，000美元MEMS导航体系高出20倍。低本钱MEMS导航体系的改善使许多运用极大获益，精细农业和UGV/UAV/USV就是其间两个典型的比如。
实时导航硬件
本例中运用的导航体系的规划意图是为电机供给高速率的高度输出，然后该电机再让车辆顶棚上的天线阵列到达安稳。天线阵列的用处是保持与地球同步卫星之间的通讯。
该导航体系用作束带式INS/GNSS导航器，供给高速率的方位和速度数据。惯性丈量单元（IMU）数据以1，000Hz频率流向导航滤波器，这些数据包用于猜测方位、速度和高度解决方案。从双天线获取的GNSS方位、速度和航向用刁难导航滤波器的更新。当GNSS不行用时，则运用磁力计来协助初始化航向。运用气压计来协助确认高度。
特别校准程序与导航滤波器并行发生。这些程序校准磁力计、双天线装置对准差错、IMU装置对准差错，还校准车辆振荡水平以便进行静态期检测。
该体系可在两种硬件装备中作业。第一种装备包含两个FOG（检测航向角和俯仰角）、一个MEMS陀螺仪（检测横滚）、三轴MEMS加快度计、三轴MEMS磁力计、MEMS气压计，传感器硬件的总物料本钱（BOM）为大约8，000美元（小批量价格）。
第二种装备包含三个MEMS陀螺仪（用于检测一切方位角），以及与前一种装备相同的三轴MEMS加快度计、三轴MEMS磁力计和MEMS气压计，总本钱为大约1，000美元（小批量价格）。这些体系的价格或许跟着商场条件和售量而动摇，但一般而言，FOG的价格比MEMS高出八至十倍。
为此规划挑选的MEMS陀螺仪和加快度计具有在同一价位中十分超卓的偏置安稳度、正交性、g灵敏度和带宽。这种体系的首要约束是带宽要求高。许多MEMS加快度计供给高带宽，但MEMS陀螺仪一般仅有100Hz或更低的带宽。
关于一般车辆导航，这一点还不会发生影响，但此体系是针对需求习惯高速率操控的运用规划的。此外还有几种MEMS陀螺仪供给杰出的偏置安稳度，但带宽下降或噪声很高。为本体系挑选的MEMS陀螺仪在带宽和功能之间到达了平衡。表1给出了所选MEMS的实践标准。
表1：所选MEMS的实践标准。
惯性MEMS的选用率处于上升态势。因而，人们为开展该技能进行了很多出资。
本体系中运用的MEMS陀螺仪选用多核架构，该架构在安稳度、噪声、线性度和线性g功能之间到达了优化平衡。彻底差分四谐振器与片内高功能信号调度密切配合，然后使得谐振器的必需呼应规模最小，坐落高度线性区，并且供给高度的振荡按捺。
因为MEMS陀螺仪和加快度计集成到多轴IMU中（请参见图1），传感器的x/y/z正交性或许成为首要差错源。首要差错源往往由跨轴灵敏度或对准差错指定。常见标准是±2%跨轴灵敏度。本体系的IMU具有0.087%的跨轴灵敏度（0.05°正交性）。更重要的是，因为器材特定的校准在出厂前完结，此标准在温度规模内有效。
关于特定旋转速率，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践旋转为零。2%的跨轴差错一般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到达准确平衡。
图1：MEMS IMU装备（ADIS16485）。
可用带宽及其跨轴相位匹配才能的联系关于多轴规划也至关重要。有些陀螺仪结构带宽有限，与下降总噪有关，而有些结构带宽有限（一般低于100Hz）是因为反应电子器材中运用的传感器处理导致的。
这或许导致经过传感器信号途径的相位相关差错动摇增加，特别是在卡尔曼滤波器中。MEMS IMU的可用带宽为330Hz，选用嵌入式的可调滤波体系，供给合理平衡的办法，最大程度地削减总差错源，并经过嵌入式滤波完成体系特定的差错优化，即使在场中也是如此。
在此MEMS IMU中运用的中心传感器具有固有的振荡按捺才能和线性度，不只使得它们的功能合适高动态运用，并且还在极点环境条件下具有安稳性和可猜测性。
本规划运用的FOG是归纳权衡价格、功能和巨细这几种要素挑选的。FOG的带宽、偏置安稳度和噪声水平是终究挑选传感器的决议性要素。表2给出了重要的功能参数。与MEMS比较，FOG具有更好的零偏安稳度，视点随机游动也有了明显改善。
表2：FOG标准（uFors-6U）。
一切更新都用于纠正独立INS解决方案的漂移，但更新自身也或许中止或不准确。
双天线航向更新具有杰出的准确度，但易受多途径影响。因而，双天线航向更新仅在敞开天空环境中是牢靠的。关于来自GNSS接纳器的方位和速度猜测，状况相同如此，也从SBAS获益。
来自磁力计的航向猜测或许因为在校准期间的笔直可调查性欠安，而遭到较大倾斜角的影响。磁力计在含铁物质周围也或许不准确，例如在其他车辆周围行进时。因而，磁力计用于在GNSS不行用时协助初始化体系，或在GNSS长期中止时（例如20分钟）协助减小航向漂移。
气压计用于在GNSS不行用或不准确时协助获取高度读数。速度更新用于在没有GNSS更新的状况下避免速度漂移，特别是在沿航迹方向。这些速度更新也可协助削减解决方案的方位不确认性，这有助于按捺不准确的GNSS方位更新。整个导航软件的规划意图是在任何GNSS条件下供给准确成果。
导航测验
为了正确比较两个体系，咱们规划了三个体系级导航基准测验：
* 在具有杰出GNSS信号的敞开天空环境下评价横滚、俯仰和航向的准确性。
* GNSS多途径场景，例如在城市中心区，因为存在高层建筑，GNSS解决方案质量或许欠好。本测验的意图是比较滤波方位功能，它也会显现高度和速度差错。
* 独立INS功能测验，旨在评价INS方位漂移，也代表速度和高度功能。
敞开天空高度成果
在GPS可用且坐落多个卫星的直射规模内的状况下，两个体系的定位和速度成果是类似的。高度角（横滚、俯仰和航向）是咱们比较的首要导航参数，因为它们在很大程度上是由陀螺仪功能决议的。
表3：敞开天空高度成果。
当GNSS可用时，两种体系的高度功能几乎是相同的，但FOG具有大约5%的优势。
不良信号GNSS定位成果
下一个测验的方针是在存在GNSS多途径的状况下比较两个体系。行进轨道坐落卡尔加里市的中心城区，包含一些很窄的冷巷，车行缓慢，一起周围布满高层建筑。
现在，功能测验要点包含了定位成果，因为在短少高质量GNSS丈量的状况下，陀螺仪或许对方位功能发生很大影响。此测验成果显现两个体系的功能适当。可是，FOG体系高出大约20%至30%。
图2显现了独立GPS解决方案的示意图。在对杂乱的中心城区行进轨道进行导航时，本测验运用的高精度GPS接纳器遇到了严峻的信号反射。独立GPS解决方案的差错多达100米。
图2：此图显现有多途径搅扰的独立GPS解决方案成果。
赤色的FOG集成解决方案（图3）明晰显现中心城区车辆的行进途径，准确到10米以内。
图3：FOG/GPS集成解决方案（FOG+GPS赤色，独立GPS蓝色）。
MEMS解决方案在图4中以绿色显现，一直在15米之内。该解决方案更易遭到不准确GNSS方位更新的影响，因为INS猜测的权重较低。
图4：MEMS/GPS集成解决方案（MEMS + GPS绿色，独立GPS蓝色）。
为协助MEMS解决方案战胜不准确的GPS更新，咱们运用了额定的传感器。图5显现将OBDII增加到体系以获取车辆速度。
图5：MEMS/GPS/OBDII集成解决方案（MEMS+GPS+OBDII绿色，独立GPS蓝色）。
MEMS解决方案一直在10米之内，乃至或许稍优于没有OBDII的FOG，如图6中的扩大图所示。
图6：带有OBDII的MEMS（绿色）与没有OBDII的FOG（赤色）比较。独立GPS为蓝色。
独立INS成果：示例和基准
两个体系之间的终究一项比较是独立INS导航测验。体系运用敞开天空GNSS更新进行交融。然后断开两个体系的天线衔接，继续4.5分钟，方位漂移用作功能指标。在此时间内行进的间隔约为5，500米。
图7显现了整个轨道。蓝色直线从右下方延伸至左上方，在右下方GPS断开衔接，在左上方GPS从头衔接。
图7：独立INS测验途径。
在这次GNSS中止期间，FOG体系的运转状况很好，最大漂移为7米，如图8所示。5分钟之后，FOG体系的典型漂移功能基准测验成果为25米，因而这次特别中止的状况略好于典型功能。
图8：独立FOG漂移。
在没有GNSS更新的状况下，MEMS体系在4.5分钟之后的漂移为75米。此类漂移大多为沿航迹差错，首要是因为加快计导致的。MEMS体系的基准测验成果是在没有GNSS更新的状况下，5分钟后的典型漂移为75米，比FOG漂移大三倍左右。
图9：独立MEMS漂移。
为MEMS体系增加OBDII更新之后，漂移改善至小于10米，与FOG解决方案适当。在没有GNSS更新的状况下，带有OBDII的MEMS体系的典型基准功能在5分钟之后发生大约30米的方位漂移，也与FOG基准成果适当。
图10：带有OBDII的MEMS体系的漂移。
结束语
FOG和MEMS两者比较十分挨近，特别是现在MEMS的功能正在挨近FOG战术级功能水平。FOG依然在功能上具有优势，但其本钱却比MEMS高出10倍。假如能够运用GNSS，并且运用的意图是在敞开天空环境中运转，则MEMS能够替代一些低端FOG。假如运用的意图是在信号不良的GNSS环境中运用，MEMS也能够替代一些FOG体系，但功能要低20%至30%。
在独立INS功能方面，FOG依然具有优势，但假如运用能够接纳车辆或渠道速度更新，则MEMS体系能够到达与独立FOG体系相同的水平。
跟着MEMS技能的继续前进，以及其他传感器（例如OBDII）的辅佐，MEMS替代FOG技能或许在不久的将来完成。
