MEMS 與 FOG：您應該選擇哪種慣性系統(tǒng)？

文章出處：新聞動態(tài) 責任編輯：百世精工科技發(fā)表時間：2023-10-09 09:09:36

MEMS 與 FOG：環(huán)形激光陀螺儀 (RLG) 自 1963 年首次問世以來一直主導著慣性導航市場，最近其主導地位因光纖陀螺儀 (FOG) 技術的改進而受到挑戰(zhàn)。這些技術進步正在緩慢但肯定地侵蝕 RLG 在慣性導航市場中的地位，使老化的技術變得無關緊要。

MEMS 是否會重復這個循環(huán)？

這是一個合理的問題，因為近年來該技術已取得了長足的進步，MEMS 陀螺儀傳感器實現了更高的精度、改進的誤差特性和更好的 g 靈敏度，從而極大地提高了 MEMS 的整體性能。現在，這兩種技術經常在眾多戰(zhàn)術和導航級應用中正面交鋒。

選擇慣性技術曾經是一個簡單的決定，但隨著兩種技術之間的競爭加劇，導航工程師被迫更加關注其特定應用的 SWaP-C（尺寸、重量、功率和成本）等因素在選擇任一解決方案之前。

FOG 在關鍵應用中仍占主導地位

光纖已成為高端應用久經考驗的解決方案，慢慢取代了老化的 RLG 技術。由于其噪聲極低的光纖陀螺儀，該技術提供了無與倫比的性能，可實現極其精確的導航，并且相對于其他技術具有較低的偏置不穩(wěn)定性和漂移，這對于在 GNSS 被拒絕的環(huán)境中保持正常運行至關重要。

FOG INS被認為更適合關鍵導航解決方案，例如深海水下導航和航空航天應用。雖然其較高的成本使其對低端市場望而卻步，但對價格不太敏感的最終用戶（例如軍用和商用飛機制造商）將負擔得起更高的精度。 FOG 固有的較低漂移也使其成為長期 GNSS 拒絕應用的首選，因為整體誤差甚至低于可用的最精確的 MEMS INS。

使該技術如此有吸引力的另一個獨特功能是光纖陀螺儀的尋北能力。即使在運動時，FOG 也能精確測量地球的自轉角速度，并且能夠在幾分鐘內準確確定北方并實現陀螺羅盤航向。對于不能長時間依賴任何 GPS 信號的海底應用來說，這是一項特別受歡迎的功能。相反，MEMS技術沒有足夠的陀螺儀精度，需要依靠磁力計或雙天線GNSS來獲得準確的航向。

FOG 和 MEMS 精度都會受到溫度變化的影響。通?？梢酝ㄟ^在工作溫度范圍內校準系統(tǒng)來緩解此問題。 MEMS 技術對溫度波動高度敏感，需要仔細的溫度補償。相比之下，設計良好、經過適當絕緣和校準的光纖陀螺通常會表現更好。

最后，雖然 FOG INS 在易振動的環(huán)境中無法避免錯誤，但由于 FOG 沒有任何移動部件，因此它們可以比 MEMS 同類產品更好地處理振動。因此，FOG 是采礦、工業(yè)應用和航空航天領域重型設備穩(wěn)定的首選方法，在這些領域，飛機（尤其是機翼）會承受非常高的振動。

MEMS 縮小了價格與性能之間的差距

微機電系統(tǒng)（或 MEMS）自 20 世紀 50 年代推出以來取得了快速發(fā)展。該技術由微型集成電路和硅基微電子技術制成，極大地改變了工業(yè)和消費電子產品。對于慣性測量單元和慣性導航系統(tǒng)，MEMS 技術催生了各種慣性傳感器，包括陀螺儀、加速度計和磁力計。

到目前為止，MEMS 的主要優(yōu)點是其成本極低，通常是 FOG 同類產品的 10 倍以上。使用更便宜的材料、先進的制造工藝、更小的尺寸和大規(guī)模采用，都有助于MEMS 的生產成本更低。如今，它廣泛應用于車載 GPS、無人機或攝像頭指向等應用，而 FOG 技術的成本太高，無法實現商業(yè)意義。

MEMS 設備還非常小且重量輕，因此可以在智能手機和玩具等狹小的空間中使用。 MEMS 現在隨處可見，從消費級應用到工業(yè)級應用，各行各業(yè)都有其身影。這種小尺寸顯著推動了 MEMS 在無人機測量市場的采用，尤其是 LiDAR 測量，該領域需要更高的精度，同時保持相對較小和較輕的尺寸，以便適合無人機。相比之下，光纖陀螺要大得多、重得多，從而減少了合適應用的數量。

MEMS 的耗電量也比 FOG 低，因此能源受限的車輛可以實現更長的任務時間。 MEMS 憑借其小尺寸和輕量化的特性，成為許多需要最低 SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）的無人駕駛車輛的首選解決方案。

但 MEMS 也并非沒有局限性。由于其機械特性和部件在高頻下振動，MEMS 對振動更加敏感，尤其是在諧波頻率下。振動會增加傳感器輸出信號的噪聲，從而導致需要通過軟件進行校正的偏差。

這個問題可能會產生一些實際后果。人們發(fā)現，相當數量的無人機陀螺儀在可聽頻率和超聲波頻率范圍內都具有諧振頻率，這使得它們容易受到揚聲器噪聲的影響。因此，可以使用設置為正確頻率的揚聲器通過“聲波攻擊”在遠處使無人機墜毀。

由于線性加速度，MEMS 在陀螺儀測量中通常也容易出現 g 靈敏度誤差，從而導致較大的偏差，直接影響 INS 姿態(tài)估計的準確性。雖然加速度通常很短（只有幾秒），但在無人機等高動態(tài)領域中卻很劇烈（5g 或更高），但隨著時間的推移誤差的累積不容忽視，需要進行補償。校正是在濾波器級別完成的，但又增加了 FOG 替代方案不易受到影響的復雜性。

MEMS 與 FOG 的對比

FOG 和 MEMS 解決方案并不總是容易相互比較，因為價格和性能之間的權衡仍然相當巨大。然而，當將低端 FOG 與高端 MEMS 進行比較時，MEMS 在尺寸、重量、功耗和成本方面的吸引力與性能的小幅提升相比可能很有吸引力。

最終，在這兩個系統(tǒng)中，FOG 將始終提供盡可能高水平的性能。真正的問題是：您的預算能否達到所需的性能水平，以及應用程序能否適應尺寸、重量和功率的增加。

標準

標準	MEMS	FOG
偏置不穩(wěn)定	良好	最佳
初始偏差	差	出色的
尺寸	較小	較大
功率	低	中等
航向	磁的	尋北/陀螺羅盤
磁干擾	Yes	No
加速度和振動	良好	最佳
G 力誤差	Yes	No
價格	最低	最高

應用領域

應用	MEMS	FOG
無人機/無人機	有效載荷小、成本敏感、低功耗、體積小
海底		最佳姿態(tài)精度、尋北、偏差穩(wěn)定性更好
飛機		更好的偏置穩(wěn)定性
地面車輛	價格便宜，性能良好，適用于許多應用	最適合高精度測量和長時間 GNSS 中斷
海洋	易于設置（例如使用GNSS 指南針）	最佳姿態(tài)精度、尋北、偏差穩(wěn)定
賽車	更小、功率更低、抗重力性能好
測量	體積小、功耗低	最佳性能