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MEMS 与 FOG：您应该选择哪种惯性系统？

文章出处：责任编辑：百世精工科技发表时间：2023-10-09 09:09:36

MEMS 与FOG：环形激光陀螺仪 (RLG) 自 1963 年首次问世以来一直主导着惯性导航市场，最近其主导地位因光纤陀螺仪 (FOG) 技术的改进而受到挑战。这些技术进步正在缓慢但肯定地侵蚀 RLG 在惯性导航市场中的地位，使老化的技术变得无关紧要。

MEMS 是否会重复这个循环？

这是一个合理的问题，因为近年来该技术已取得了长足的进步，MEMS陀螺仪传感器实现了更高的精度、改进的误差特性和更好的 g 灵敏度，从而极大地提高了 MEMS 的整体性能。现在，这两种技术经常在众多战术和导航级应用中正面交锋。

选择惯性技术曾经是一个简单的决定，但随着两种技术之间的竞争加剧，导航工程师被迫更加关注其特定应用的 SWaP-C（尺寸、重量、功率和成本）等因素在选择任一解决方案之前。

FOG 在关键应用中仍占主导地位

光纤已成为高端应用久经考验的解决方案，慢慢取代了老化的 RLG 技术。由于其噪声极低的光纤陀螺仪，该技术提供了无与伦比的性能，可实现极其精确的导航，并且相对于其他技术具有较低的偏置不稳定性和漂移，这对于在 GNSS 被拒绝的环境中保持正常运行至关重要。

FOG INS被认为更适合关键导航解决方案，例如深海水下导航和航空航天应用。虽然其较高的成本使其对低端市场望而却步，但对价格不太敏感的最终用户（例如军用和商用飞机制造商）将负担得起更高的精度。 FOG 固有的较低漂移也使其成为长期 GNSS 拒绝应用的首选，因为整体误差甚至低于可用的最精确的 MEMS INS。

使该技术如此有吸引力的另一个独特功能是光纤陀螺仪的寻北能力。即使在运动时，FOG 也能精确测量地球的自转角速度，并且能够在几分钟内准确确定北方并实现陀螺罗盘航向。对于不能长时间依赖任何 GPS 信号的海底应用来说，这是一项特别受欢迎的功能。相反，MEMS技术没有足够的陀螺仪精度，需要依靠磁力计或双天线GNSS来获得准确的航向。

FOG 和 MEMS 精度都会受到温度变化的影响。通常可以通过在工作温度范围内校准系统来缓解此问题。 MEMS 技术对温度波动高度敏感，需要仔细的温度补偿。相比之下，设计良好、经过适当绝缘和校准的光纤陀螺通常会表现更好。

最后，虽然 FOG INS 在易振动的环境中无法避免错误，但由于 FOG 没有任何移动部件，因此它们可以比 MEMS 同类产品更好地处理振动。因此，FOG 是采矿、工业应用和航空航天领域重型设备稳定的首选方法，在这些领域，飞机（尤其是机翼）会承受非常高的振动。

MEMS 缩小了价格与性能之间的差距

微机电系统（或 MEMS）自 20 世纪 50 年代推出以来取得了快速发展。该技术由微型集成电路和硅基微电子技术制成，极大地改变了工业和消费电子产品。对于惯性测量单元和惯性导航系统，MEMS 技术催生了各种惯性传感器，包括陀螺仪、加速度计和磁力计。

到目前为止，MEMS 的主要优点是其成本极低，通常是 FOG 同类产品的 10 倍以上。使用更便宜的材料、先进的制造工艺、更小的尺寸和大规模采用，都有助于MEMS 的生产成本更低。如今，它广泛应用于车载 GPS、无人机或摄像头指向等应用，而 FOG 技术的成本太高，无法实现商业意义。

MEMS 设备还非常小且重量轻，因此可以在智能手机和玩具等狭小的空间中使用。 MEMS 现在随处可见，从消费级应用到工业级应用，各行各业都有其身影。这种小尺寸显着推动了 MEMS 在无人机测量市场的采用，尤其是 LiDAR 测量，该领域需要更高的精度，同时保持相对较小和较轻的尺寸，以便适合无人机。相比之下，光纤陀螺要大得多、重得多，从而减少了合适应用的数量。

MEMS 的耗电量也比 FOG 低，因此能源受限的车辆可以实现更长的任务时间。 MEMS 凭借其小尺寸和轻量化的特性，成为许多需要最低 SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）的无人驾驶车辆的首选解决方案。

但 MEMS 也并非没有局限性。由于其机械特性和部件在高频下振动，MEMS 对振动更加敏感，尤其是在谐波频率下。振动会增加传感器输出信号的噪声，从而导致需要通过软件进行校正的偏差。

这个问题可能会产生一些实际后果。人们发现，相当数量的无人机陀螺仪在可听频率和超声波频率范围内都具有谐振频率，这使得它们容易受到扬声器噪声的影响。因此，可以使用设置为正确频率的扬声器通过“声波攻击”在远处使无人机坠毁。

由于线性加速度，MEMS 在陀螺仪测量中通常也容易出现 g 灵敏度误差，从而导致较大的偏差，直接影响 INS 姿态估计的准确性。虽然加速度通常很短（只有几秒），但在无人机等高动态领域中却很剧烈（5g 或更高），但随着时间的推移误差的累积不容忽视，需要进行补偿。校正是在滤波器级别完成的，但又增加了 FOG 替代方案不易受到影响的复杂性。

MEMS 与 FOG 的对比

FOG 和 MEMS 解决方案并不总是容易相互比较，因为价格和性能之间的权衡仍然相当巨大。然而，当将低端 FOG 与高端 MEMS 进行比较时，MEMS 在尺寸、重量、功耗和成本方面的吸引力与性能的小幅提升相比可能很有吸引力。

最终，在这两个系统中，FOG 将始终提供尽可能高水平的性能。真正的问题是：您的预算能否达到所需的性能水平，以及应用程序能否适应尺寸、重量和功率的增加。

标准

标准	MEMS	FOG
偏置不稳定	良好	最佳
初始偏差	差	出色的
尺寸	较小	较大
功率	低	中等
航向	磁的	寻北/陀螺罗盘
磁干扰	Yes	No
加速度和振动	良好	最佳
G 力误差	Yes	No
价格	最低	最高

应用领域

应用	MEMS	FOG
无人机/无人机	有效载荷小、成本敏感、低功耗、体积小
海底		最佳姿态精度、寻北、偏差稳定性更好
飞机		更好的偏置稳定性
地面车辆	价格便宜，性能良好，适用于许多应用	最适合高精度测量和长时间 GNSS 中断
海洋	易于设置（例如使用GNSS 指南针）	最佳姿态精度、寻北、偏差稳定
赛车	更小、功率更低、抗重力性能好
测量	体积小、功耗低	最佳性能