MEMS陀螺仪系统的精确导航

电子发烧友网报道（文/李宁远）现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。光纤陀螺仪FOG一度是环形激光陀螺仪RLG的低成本替代，随着MEMS陀螺仪的兴起，在车辆导航、机械控制等领域，精确导航的竞争一直在对峙。
 
导航核心——陀螺惯性测量单元
 
在高精度的捷联惯导系统中，陀螺惯性测量单元是绝对的核心。很长一段时间以来，激光陀螺仪都是中高精度惯导系统中的核心惯性基准系统的选择。尤其是高精度应用中，其主导地位是不可替代的。
 
环形激光陀螺仪RLG采用环式激光仪，在同一光路中反向传播同一光源输出的激光，通过萨格纳克效应来检测外界环形的旋转角速度。
 
由于激光陀螺系统具有较高的精度和优良的特性，所以除了把激光陀螺系统作为标准导航仪器或者方向罗盘去使用，还能去标定或者分析其它导航系统的精度情况。标定其它系统的精度和效果，是高精度的激光陀螺仪导航系统区别于其它导航系统的一个突出应用。
 
但为人诟病的是，其成本较高。随着光纤陀螺仪FOG的出现和发展，FOG一度成为环形激光陀螺仪RLG低成本的替代方案。光纤陀螺FOG和环形激光陀螺RLG一样，没有机械活动部件，成本更低。
 
光纤陀螺FOG基于萨格纳克效应，通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围。
 
随着MEMS陀螺仪的兴起，光纤陀螺FOG也面临着新的竞争。MEMS陀螺仪的快速发展不断抢夺传统FOG的应用市场份额。由分立的惯性测量单元组合成的三轴、六轴、九轴IMU，将加速度传感器、陀螺仪、磁传感器等MEMS器件集成在一起实现“芯片级导航”。
 
MEMS陀螺仪其原理与加速度计工作原理相似，陀螺仪的上层活动金属与下层金属形成电容，通过电容变化来识别角速率。
 
MEMS系统与FOG系统的精确导航竞争
 
MEMS系统在导航领域受到的青睐越来越多，因为它提供了更高的误差特性、更高的环境稳定性、更高的带宽以及出色的灵敏度。
 
特性上的优势是一方面，随着嵌入式运算应用得日益广泛，可以运行更高级融合和传感误差算法的“芯片级导航”也的确展现出了其更为灵活的优势。
 
机器控制领域，现在已经有很多MEMS的应用。此前，这种应用不是选择RLG就是选择FOG系统，在精确度和可靠性上的确非常高。但低成本MEMS的不断改良，性能上其实已经不会有明显差别，同时成本能降低数倍。
 
在成本的考量上，FOG系统的成本通常比MEMS系统高出近十倍。除非是在偏高端的应用市场，这种成本差距不用考虑。在绝大多数现在的车辆导航、机械控制等领域，FOG的性能优势已经并不明显了。
 
在独立的精密惯导系统系统INS环境中，FOG系统还有性能上的优势。但在很多GNSS环境中，MEMS系统已经完全可以取代低端FOG系统。
 
小结
 
随着MEMS技术的持续进步，加之其他传感器的辅助，MEMS系统在精确导航领域越走越远，在常见的精确导航应用中完全取代FOG系统的进程也会加快。