漂移是以度/小時(shí)或每小時(shí)累積的方向誤差度數(shù)為單位的。

  圖2：由于漂移導(dǎo)致的誤差累積。資料來(lái)源：Bryon Moyer

  加速度計(jì)和陀螺儀都有誤差，但是陀螺儀主導(dǎo)了整體漂移。這導(dǎo)致了IMU根據(jù)其適合的應(yīng)用進(jìn)行分級(jí)。目前沒(méi)有正式的等級(jí)定義，只有公認(rèn)的等級(jí)，因此它們可能會(huì)有所不同。

  下面顯示的等級(jí)會(huì)使用數(shù)十年，但中間范圍尚有待解釋。費(fèi)茲杰拉德說(shuō)：“混淆不清的三個(gè)術(shù)語(yǔ)是工業(yè)，導(dǎo)航和戰(zhàn)術(shù)?！?“這些可互換使用，是指每小時(shí)大約半度的性能?！?

  圖3：按市場(chǎng)等級(jí)的偏置穩(wěn)定性。來(lái)源：Alissa Fitzgerald,來(lái)自21世紀(jì)的定位，導(dǎo)航和計(jì)時(shí)技術(shù)：集成衛(wèi)星導(dǎo)航，傳感器系統(tǒng)和民用應(yīng)用）

  圖4：由偏差不穩(wěn)定性（或穩(wěn)定性）定義的IMU等級(jí)。資料來(lái)源：YoleDéveloppement

  盡管陀螺儀漂移在坡度定義中占主導(dǎo)地位，但Yole指出，其他因素也很重要。穩(wěn)定性不是**重要的參數(shù)。還有其他規(guī)格，例如抗振動(dòng)和沖擊，帶寬，寬泛的工作溫度范圍，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，尺寸/重量/功率等。因此，你不能使用陀螺儀來(lái)導(dǎo)航船舶，也不能使用相同的系統(tǒng)來(lái)導(dǎo)航導(dǎo)彈。

  *苛刻的應(yīng)用仍然需要機(jī)械傳感器，而且極其昂貴。與此相反的是一些價(jià)格低廉的商業(yè)應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，精度并不那么重要，不準(zhǔn)確的后果也不那么嚴(yán)重。

  圖5：由偏差不穩(wěn)定定義的IMU價(jià)格。顏色表示技術(shù)：RLG =環(huán)形激光陀螺儀；HRG =半球諧振陀螺儀；FOG =光纖陀螺儀。MEMS正在逐步提高其可達(dá)到的等級(jí)。資料來(lái)源：YoleDéveloppement

  較舊的機(jī)械模型正在讓步給較新的技術(shù)，其中包括正在逐步改進(jìn)的MEMS技術(shù)。

  MEMS單元可能會(huì)侵占FOG技術(shù)**可以解決的某些問(wèn)題，但將來(lái)不太可能取代HRG和RLG技術(shù)。也就是說(shuō)，F(xiàn)OG技術(shù)預(yù)計(jì)會(huì)有足夠的發(fā)展，即使在低端技術(shù)上輸給MEMS,但仍會(huì)有增長(zhǎng)，并保持自己的優(yōu)勢(shì)。

  圖6：面向**應(yīng)用的IMU技術(shù)演進(jìn)。燈泡指示何時(shí)出現(xiàn)該想法；點(diǎn)表示它何時(shí)可用（給出了指示的上市時(shí)間）。資料來(lái)源：YoleDéveloppement

  MEMS應(yīng)用和改進(jìn)

  MEMS技術(shù)降低了低端IMU的價(jià)格，該IMU主要用于商業(yè)（如智能手機(jī)）和工業(yè)應(yīng)用。Fitzgerald說(shuō)：“直到*近，沒(méi)有一家大型電子公司對(duì)導(dǎo)航級(jí)陀螺儀真正感興趣。他們正在為智能手機(jī)和游戲控制器制造陀螺儀，坦率地說(shuō)，這些陀螺儀對(duì)于車輛導(dǎo)航用途來(lái)說(shuō)是蹩腳的。我們還沒(méi)有看到新的MEMS架構(gòu)得到充分發(fā)展。而部分原因是，讓投資者給你5000萬(wàn)美元，讓你將這些令人興奮的MEMS新技術(shù)商業(yè)化，這是一場(chǎng)艱難的推銷。造成這種情況的部分原因是，要讓投資者給您5000萬(wàn)美元來(lái)將這些令人興奮的新技術(shù)商業(yè)化是一個(gè)艱難的選擇?！?

  但是Yole指出，硅MEMS陀螺儀已經(jīng)改進(jìn)到可以解決導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用的地步。Yole團(tuán)隊(duì)說(shuō)：“通常，所有技術(shù)都在穩(wěn)步改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)更高的穩(wěn)定性和更好的性能?！敝T如MEMS之類的某些技術(shù)*初處于商業(yè)性能水平，已轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)級(jí)，*近又轉(zhuǎn)變?yōu)閼?zhàn)術(shù)性?！?

  博世產(chǎn)品經(jīng)理Peter Spoden和Michael Rupp表示，MEMS陀螺儀的漂移已減半，并有望進(jìn)一步改善。10°/ h的不穩(wěn)定性一直是MEMS的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如今，使用MEMS可以達(dá)到1至5°/ h.對(duì)于未來(lái)，低于1°/ h的范圍似乎可以實(shí)現(xiàn)。

  圖7：基于硅的MEMS（" SiMEMS"）與其他技術(shù)的漂移比較。（偏差不穩(wěn)定性（穩(wěn)定性）是在室溫下使用Allan方差方法計(jì)算的，沒(méi)有加速度或振動(dòng)。在運(yùn)行中的偏差穩(wěn)定性中，運(yùn)行至偏差的偏差穩(wěn)定性是根據(jù)任務(wù)曲線根據(jù)先前誤差的二次求和而得出的。 -run是單次運(yùn)行，而運(yùn)行間檢查的可重復(fù)性來(lái)源：YoleDéveloppement

  那么，MEMS技術(shù)會(huì)繼續(xù)進(jìn)入**應(yīng)用領(lǐng)域嗎？

  隨著自動(dòng)駕駛汽車的出現(xiàn)，人們對(duì)針對(duì)汽車市場(chǎng)定價(jià)的更高質(zhì)量的傳感器重新產(chǎn)生了興趣。但是，盡管企業(yè)似乎已朝著這個(gè)方向邁出了一大步，但大多數(shù)制造商認(rèn)為，由于IMU通常與其他技術(shù)結(jié)合以糾正錯(cuò)誤，因此MEMS陀螺儀進(jìn)一步的改進(jìn)并不是真正重要的。

  傳感器融合

  盡管MEMS IMU在任何長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都不可能進(jìn)行航位推算，但MEMS陀螺儀仍被定位用于安全關(guān)鍵型應(yīng)用，例如自動(dòng)駕駛汽車導(dǎo)航。這是因?yàn)橥勇輧x（通常是IMU）只是一種導(dǎo)航技術(shù)。

  位置信息的主要來(lái)源仍然是GNSS信號(hào)，例如GPS。西門子業(yè)務(wù)部門Mentor的應(yīng)用工程顧問(wèn)Jeff Miller表示：“許多用例都依靠GPS使用卡爾曼濾波器等進(jìn)行漂移校正，因此他們不必?fù)?dān)心長(zhǎng)期漂移?！? 但當(dāng)車輛進(jìn)入隧道或停車場(chǎng)，傳遞信號(hào)的衛(wèi)星不再“可見(jiàn)”時(shí)，這種方法將失敗。在這種情況下，IMU可以提供短期位置信息，直到重新獲取GNSS信號(hào)為止。

  Fitzgerald說(shuō)：“如果您要能夠承受GPS的5秒模糊測(cè)試，并且以50至70英里/小時(shí)的速度行駛，則需要一個(gè)非常好的陀螺儀。如果您只擔(dān)心一秒鐘的退出，那么也許您可以擺脫精度較低的陀螺儀的困擾。” 但是，例如阿爾卑斯山中*長(zhǎng)的公路隧道是哥德哈德公路隧道，長(zhǎng)約17公里（10.5英里）。以60 mph的速度行駛時(shí)，這意味著離GNSS信號(hào)的距離會(huì)略微超過(guò)10分鐘，這對(duì)于MEMS IMU來(lái)說(shuō)，是很長(zhǎng)的時(shí)間。

  磁力計(jì)可用于幫助校正陀螺儀的漂移。磁力儀像陀螺儀一樣測(cè)量方位，但是它們相對(duì)于磁北來(lái)測(cè)量。這提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的參考點(diǎn)，因此算法可以同時(shí)查看陀螺儀和磁力計(jì)的結(jié)果來(lái)確定方向。

  GNSS信號(hào)不可用時(shí)會(huì)與IMU進(jìn)行折衷（這意味著一個(gè)或另一個(gè)正在使用中），而GNSS信號(hào)與之不同的地方在于——IMU可通過(guò)兩個(gè)傳感器不斷融合在一起，以達(dá)到比單獨(dú)使用任一個(gè)傳感器更準(zhǔn)確的結(jié)果。這是所謂的傳感器融合的特定示例。它合并大量傳感器輸出的結(jié)果，以產(chǎn)生更好的組合結(jié)果。

  就是說(shuō)，磁力計(jì)也有其缺點(diǎn)——主要是在對(duì)可能影響磁場(chǎng)的較大特征的響應(yīng)中。被稱為“磁異常”的金屬車輛，電梯，甚至大的巖石露頭都會(huì)使磁力計(jì)的讀數(shù)失真。在此類異常持續(xù)存在的應(yīng)用中（例如，在大型電動(dòng)機(jī)附近或在電氣室內(nèi)），不能可靠地使用磁力計(jì)。

  但是，在那些應(yīng)用程序之外，異常可能是暫時(shí)的。因此，陀螺儀除了通過(guò)磁力計(jì)進(jìn)行交叉檢查外，還有助于交叉檢查磁力計(jì)。沒(méi)有一種拒絕異常的固定算法。美光數(shù)碼公司創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Rohit Seth說(shuō)：“我們同時(shí)使用啟發(fā)式方法和**性原理來(lái)處理磁異常?！?

  除此之外，還有許多其他技術(shù)可以幫助定位服務(wù)。IMU提供“由內(nèi)而外”的視圖，移動(dòng)傳感器在其中確定自己的位置。外部信號(hào)（如GNSS）提供“從里到外”的視圖，其中外部因素告訴移動(dòng)的物體在哪里。例如，在購(gòu)物中心內(nèi)，各種WiFi或藍(lán)牙信標(biāo)都可以對(duì)購(gòu)物者及其智能手機(jī)的位置進(jìn)行三角測(cè)量。智能手機(jī)中的IMU和信標(biāo)信號(hào)一起可以提供足夠精確的定位，以在商店內(nèi)定位購(gòu)物者。

  這種方法也可以在道路上使用。Fitzgerald表示：“我們可以開(kāi)始在道路，基礎(chǔ)設(shè)施中放置信標(biāo)。您可以將信標(biāo)放在隧道中?！?

  對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車而言，至關(guān)重要的一點(diǎn)是，偏離路線的余地很小。Fitzgerald說(shuō)：“如果您在高速公路上開(kāi)車，您可能無(wú)法承受超過(guò)10或20厘米的漂移，這有可能撞到相鄰的汽車?！?

  這是高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）尤為重要的地方。這種系統(tǒng)為車輛配備了許多額外的傳感器，尤其是攝像頭，雷達(dá)和激光雷達(dá)。使用AI算法將這些傳感器信號(hào)組合在一起，以識(shí)別預(yù)期和意外的項(xiàng)目，從而提供了一個(gè)巨大的傳感器融合解決方案。

  博世團(tuán)隊(duì)表示：“無(wú)人駕駛汽車始終必須獲得環(huán)境認(rèn)可。 IMU絕不能單獨(dú)使用，而必須始終是一個(gè)完整系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)由激光雷達(dá)，雷達(dá)和軟件等其他設(shè)備組成。不過(guò)作為這種系統(tǒng)的一部分，**的IMU就足夠了。”

  但是，對(duì)于可能無(wú)法停留在涂有油漆良好線條的城市道路上的“隨處可見(jiàn)”車輛，它們可能不夠用。在如此遙遠(yuǎn)的地區(qū)，自治還是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題（尤其是在沒(méi)有蜂窩通信的情況下）。Fitzgerald說(shuō)：“要讓自動(dòng)駕駛汽車在沒(méi)有這些車道標(biāo)志或交通信號(hào)燈或停車牌識(shí)別的地形上行駛，將是非常困難的。”

  哪些適合汽車可能并不明顯。Yole團(tuán)隊(duì)說(shuō)：“我們需要將ADAS車輛（具有越來(lái)越高的自治性）和機(jī)器人汽車（或Robotaxis）分開(kāi)，它們已經(jīng)完全自主，但是在地理上受到限制?！庇捎跈C(jī)械人的業(yè)務(wù)模型（移動(dòng)即服務(wù)）不同，目前暫時(shí)沒(méi)有成本約束。但是他們對(duì)性能有很高的要求?！?

  對(duì)于配備ADAS的汽車，購(gòu)買價(jià)格是主要的經(jīng)濟(jì)考慮因素。因此，根據(jù)Yole的說(shuō)法，IMU的價(jià)格必須低于100美元，這樣在60 km / hr的速度下，它們?cè)?0到30秒內(nèi)的漂移精度*為幾厘米。相比之下，robotaxis可以忍受更高的精度價(jià)格——每行駛1公里*漂移幾厘米的系統(tǒng)，其價(jià)格就高達(dá)10,000美元。

  需要導(dǎo)航的低成本車輛可能仍然認(rèn)為高質(zhì)量MEMS IMU過(guò)于昂貴。Fitzgerald說(shuō)：“當(dāng)您的汽車價(jià)格在50,000至100,000美元之間時(shí)，花300美元購(gòu)買MEMS陀螺儀似乎并不重要。” “對(duì)于那些想要將這類陀螺儀用于無(wú)人機(jī)，機(jī)器人和不支持300美元價(jià)格的產(chǎn)品的人們來(lái)說(shuō)，它開(kāi)始崩潰。他們可以花30美元購(gòu)買MEMS陀螺儀，但300美元開(kāi)始太高了。”

  不過(guò)，其中一些較小的系統(tǒng)也許能夠以較低的精度應(yīng)對(duì)。她補(bǔ)充說(shuō)：“如果一個(gè)機(jī)器人每小時(shí)*走三英里，那么您可能會(huì)得到便宜的陀螺儀，因?yàn)槟粫?huì)試圖以如此高的精度進(jìn)行導(dǎo)航?！?

  對(duì)于所有的交叉檢查傳感器，甚至可能有人會(huì)質(zhì)疑某些駕駛應(yīng)用是否仍需要IMU.Yole團(tuán)隊(duì)推測(cè)：“其他傳感器（雷達(dá)，攝像機(jī)，激光雷達(dá)等）的組合所取得的進(jìn)展提出了慣性系統(tǒng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看是否有用的問(wèn)題。在某些時(shí)候，所有其他傳感器都可以在沒(méi)有此類傳感器的情況下校準(zhǔn)汽車的位置?！?

  眾包傳感器

  雖然傳感器融合通常將不同傳感器的結(jié)果結(jié)合在一起，但美光數(shù)碼的概念還有另外一種。該公司稱，它使用一個(gè)簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將三到六個(gè)傳感器陣列的輸出結(jié)合在一起，可以使漂移接近零。陣列的想法是要測(cè)量幾個(gè)相同的傳感器，并且*終的決定取決于這種組合，而不是孤立地隔離任何傳感器。

  Rohit Seth說(shuō)：“ IMU互相看著以估計(jì)漂移。IMU正在糾正其他IMU.”

  這些陣列*初建立在單個(gè)模塊上。Rohit Seth說(shuō)：“我們從以宏觀配置的通用傳感器開(kāi)始。此配置適合第三方傳感器。宏模塊級(jí)系統(tǒng)（SOM）可以縮小到大約19mm x 19mm的占地面積?！?

  該公司還正在開(kāi)發(fā)尺寸更小的版本。他補(bǔ)充說(shuō)：“我們正在設(shè)計(jì)自己的傳感器基板版本，以便可以在5mm x 5mm的占地面積內(nèi)制造它?！?“有些中間設(shè)計(jì)在一個(gè)SoC封裝中使用多個(gè)基板的組裝。”

  但是，它并不像平均值那樣簡(jiǎn)單地進(jìn)行數(shù)字聚合。必須手動(dòng)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。塞思說(shuō)：“我們已經(jīng)接近通用解決方案，但是現(xiàn)在我們需要針對(duì)每個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)整?！?每個(gè)傳感器品牌都對(duì)其進(jìn)行了調(diào)整，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ髟碛兴煌?。他們說(shuō)這不是一個(gè)固定的算法，而是它可以動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)并即時(shí)確定信任哪些傳感器。還有一個(gè)輸出階段，可以抑制任何不切實(shí)際的運(yùn)動(dòng)。

  結(jié)論

  尚不清楚MEMS陀螺儀將進(jìn)一步改善多少。在大多數(shù)情況下，它們正在逐漸變得更好。但是，由于在此類汽車中設(shè)計(jì)了大量傳感器融合技術(shù)，因此他們沒(méi)有很大的壓力去改進(jìn)*明顯的應(yīng)用，即汽車。

  如果他們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的操作等級(jí)，那么它們可能會(huì)降低**成本，但是其中許多應(yīng)用都有嚴(yán)格的要求和較低的體積，因此投資回報(bào)率不確定，而未來(lái)巨大的改進(jìn)將需要苛刻的新應(yīng)用來(lái)推進(jìn)。

  作者：Bryon Moyer

  來(lái)源：Semi Engineering

  編譯：梟梟