MEMS陀螺儀系統(tǒng)的精確導(dǎo)航
2023-10-24 10:37:43 點(diǎn)擊：
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動物體的方位的儀器，是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器。光纖陀螺儀FOG一度是環(huán)形激光陀螺儀RLG的低成本替代，隨著MEMS陀螺儀的興起，在車輛導(dǎo)航、機(jī)械控制等領(lǐng)域，精確導(dǎo)航的競爭一直在對峙。
導(dǎo)航核心——陀螺慣性測量單元
在高精度的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，陀螺慣性測量單元是絕對的核心。很長一段時間以來，激光陀螺儀都是中高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)中的核心慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的選擇。尤其是高精度應(yīng)用中，其主導(dǎo)地位是不可替代的。
環(huán)形激光陀螺儀RLG采用環(huán)式激光儀，在同一光路中反向傳播同一光源輸出的激光，通過薩格納克效應(yīng)來檢測外界環(huán)形的旋轉(zhuǎn)角速度。
由于激光陀螺系統(tǒng)具有較高的精度和優(yōu)良的特性，所以除了把激光陀螺系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航儀器或者方向羅盤去使用，還能去標(biāo)定或者分析其它導(dǎo)航系統(tǒng)的精度情況。標(biāo)定其它系統(tǒng)的精度和效果，是高精度的激光陀螺儀導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其它導(dǎo)航系統(tǒng)的一個突出應(yīng)用。
但為人詬病的是，其成本較高。隨著光纖陀螺儀FOG的出現(xiàn)和發(fā)展，F(xiàn)OG一度成為環(huán)形激光陀螺儀RLG低成本的替代方案。光纖陀螺FOG和環(huán)形激光陀螺RLG一樣，沒有機(jī)械活動部件，成本更低。
光纖陀螺FOG基于薩格納克效應(yīng)，通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動態(tài)范圍。
隨著MEMS陀螺儀的興起，光纖陀螺FOG也面臨著新的競爭。MEMS陀螺儀的快速發(fā)展不斷搶奪傳統(tǒng)FOG的應(yīng)用市場份額。由分立的慣性測量單元組合成的三軸、六軸、九軸IMU，將加速度傳感器、陀螺儀、磁傳感器等MEMS器件集成在一起實(shí)現(xiàn)“芯片級導(dǎo)航”。
MEMS陀螺儀其原理與加速度計(jì)工作原理相似，陀螺儀的上層活動金屬與下層金屬形成電容，通過電容變化來識別角速率。
MEMS系統(tǒng)與FOG系統(tǒng)的精確導(dǎo)航競爭
MEMS系統(tǒng)在導(dǎo)航領(lǐng)域受到的青睞越來越多，因?yàn)樗峁┝烁叩恼`差特性、更高的環(huán)境穩(wěn)定性、更高的帶寬以及出色的靈敏度。
特性上的優(yōu)勢是一方面，隨著嵌入式運(yùn)算應(yīng)用得日益廣泛，可以運(yùn)行更高級融合和傳感誤差算法的“芯片級導(dǎo)航”也的確展現(xiàn)出了其更為靈活的優(yōu)勢。
機(jī)器控制領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)有很多MEMS的應(yīng)用。此前，這種應(yīng)用不是選擇RLG就是選擇FOG系統(tǒng)，在精確度和可靠性上的確非常高。但低成本MEMS的不斷改良，性能上其實(shí)已經(jīng)不會有明顯差別，同時成本能降低數(shù)倍。
在成本的考量上，F(xiàn)OG系統(tǒng)的成本通常比MEMS系統(tǒng)高出近十倍。除非是在偏高端的應(yīng)用市場，這種成本差距不用考慮。在絕大多數(shù)現(xiàn)在的車輛導(dǎo)航、機(jī)械控制等領(lǐng)域，F(xiàn)OG的性能優(yōu)勢已經(jīng)并不明顯了。
在獨(dú)立的精密慣導(dǎo)系統(tǒng)系統(tǒng)INS環(huán)境中，F(xiàn)OG系統(tǒng)還有性能上的優(yōu)勢。但在很多GNSS環(huán)境中，MEMS系統(tǒng)已經(jīng)完全可以取代低端FOG系統(tǒng)。
小結(jié)
隨著MEMS技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，加之其他傳感器的輔助，MEMS系統(tǒng)在精確導(dǎo)航領(lǐng)域越走越遠(yuǎn)，在常見的精確導(dǎo)航應(yīng)用中完全取代FOG系統(tǒng)的進(jìn)程也會加快。
導(dǎo)航核心——陀螺慣性測量單元
在高精度的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，陀螺慣性測量單元是絕對的核心。很長一段時間以來，激光陀螺儀都是中高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)中的核心慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的選擇。尤其是高精度應(yīng)用中，其主導(dǎo)地位是不可替代的。
環(huán)形激光陀螺儀RLG采用環(huán)式激光儀，在同一光路中反向傳播同一光源輸出的激光，通過薩格納克效應(yīng)來檢測外界環(huán)形的旋轉(zhuǎn)角速度。
由于激光陀螺系統(tǒng)具有較高的精度和優(yōu)良的特性，所以除了把激光陀螺系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航儀器或者方向羅盤去使用，還能去標(biāo)定或者分析其它導(dǎo)航系統(tǒng)的精度情況。標(biāo)定其它系統(tǒng)的精度和效果，是高精度的激光陀螺儀導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其它導(dǎo)航系統(tǒng)的一個突出應(yīng)用。
但為人詬病的是，其成本較高。隨著光纖陀螺儀FOG的出現(xiàn)和發(fā)展，F(xiàn)OG一度成為環(huán)形激光陀螺儀RLG低成本的替代方案。光纖陀螺FOG和環(huán)形激光陀螺RLG一樣，沒有機(jī)械活動部件，成本更低。
光纖陀螺FOG基于薩格納克效應(yīng)，通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動態(tài)范圍。
隨著MEMS陀螺儀的興起，光纖陀螺FOG也面臨著新的競爭。MEMS陀螺儀的快速發(fā)展不斷搶奪傳統(tǒng)FOG的應(yīng)用市場份額。由分立的慣性測量單元組合成的三軸、六軸、九軸IMU，將加速度傳感器、陀螺儀、磁傳感器等MEMS器件集成在一起實(shí)現(xiàn)“芯片級導(dǎo)航”。
MEMS陀螺儀其原理與加速度計(jì)工作原理相似，陀螺儀的上層活動金屬與下層金屬形成電容，通過電容變化來識別角速率。
MEMS系統(tǒng)與FOG系統(tǒng)的精確導(dǎo)航競爭
MEMS系統(tǒng)在導(dǎo)航領(lǐng)域受到的青睞越來越多，因?yàn)樗峁┝烁叩恼`差特性、更高的環(huán)境穩(wěn)定性、更高的帶寬以及出色的靈敏度。
特性上的優(yōu)勢是一方面，隨著嵌入式運(yùn)算應(yīng)用得日益廣泛，可以運(yùn)行更高級融合和傳感誤差算法的“芯片級導(dǎo)航”也的確展現(xiàn)出了其更為靈活的優(yōu)勢。
機(jī)器控制領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)有很多MEMS的應(yīng)用。此前，這種應(yīng)用不是選擇RLG就是選擇FOG系統(tǒng)，在精確度和可靠性上的確非常高。但低成本MEMS的不斷改良，性能上其實(shí)已經(jīng)不會有明顯差別，同時成本能降低數(shù)倍。
在成本的考量上，F(xiàn)OG系統(tǒng)的成本通常比MEMS系統(tǒng)高出近十倍。除非是在偏高端的應(yīng)用市場，這種成本差距不用考慮。在絕大多數(shù)現(xiàn)在的車輛導(dǎo)航、機(jī)械控制等領(lǐng)域，F(xiàn)OG的性能優(yōu)勢已經(jīng)并不明顯了。
在獨(dú)立的精密慣導(dǎo)系統(tǒng)系統(tǒng)INS環(huán)境中，F(xiàn)OG系統(tǒng)還有性能上的優(yōu)勢。但在很多GNSS環(huán)境中，MEMS系統(tǒng)已經(jīng)完全可以取代低端FOG系統(tǒng)。
小結(jié)
隨著MEMS技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，加之其他傳感器的輔助，MEMS系統(tǒng)在精確導(dǎo)航領(lǐng)域越走越遠(yuǎn)，在常見的精確導(dǎo)航應(yīng)用中完全取代FOG系統(tǒng)的進(jìn)程也會加快。
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