«Выбрать MEMS или FOG?» — это самый частый вопрос, который я слышу, и не потому, что люди не знают технических характеристик. Неясно то, что действительно имеет значение на практике: дрейф, ударопрочность или просто бюджет? И слишком часто неправильный выбор не приводит к полному провалу — он незаметно срабатывает, пока не становится слишком поздно что-либо исправить.
MEMS-инерциальные измерительные блоки (IMU) меньше, легче и экономичнее, что делает их идеальными для систем с ограниченным пространством и энергопотреблением. FOG-инерциальные измерительные блоки, напротив, обеспечивают значительно лучшую стабильность смещения, меньший дрейф и превосходные характеристики в суровых условиях или при отсутствии сигнала GNSS.
Компромиссы не очевидны — давайте разберемся, что действительно важно.
Оглавление
Как работают MEMS- и FOG-гироскопы?
MEMS-гироскопы измеряют движение, обнаруживая мельчайшие смещения в вибрирующей кремниевой структуре — подобно тому, как колеблется камертон при повороте. Они построены на микрочипах, что делает их компактными, энергоэффективными и доступными по цене.
В отличие от них, гироскопы на основе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) Они посылают лазерные лучи через длинную катушку оптического волокна; при вращении устройства лучи слегка смещаются — это явление называется эффектом Сагнака. Это позволяет ВОГ обнаруживать вращение с исключительной точностью, без движущихся частей и с чрезвычайной стабильностью во времени.
MEMS против FOG: как выбрать подходящий?
Выбор между MEMS и FOG не обязательно должен быть сложным — сосредоточившись на нескольких ключевых параметрах производительности, вы можете быстро определить подходящий вариант для вашего применения.
1. Точность
При оценке точности наиболее важными параметрами являются стабильность смещения и случайное блуждание по углу (ARW) . Ниже приведено сравнение продуктов GuideNav на основе этих ключевых показателей.
| Параметр | МЭМС | ТУМАН |
|---|---|---|
| Стабильность смещения (°/ч) | 0.05 ~ 3 | 0.003 ~ 0.5 |
| Случайное блуждание по углу (°/√h) | 0.05 ~ 0.45 | 0.0002 ~ 0.02 |
2. Размер и вес
MEMS-микросхемы компактны и легки, что делает их подходящими для систем с ограниченным пространством, в то время как волоконно-оптические гелиооптические генераторы (FOG) крупнее и тяжелее, что делает их пригодными для высокотехнологичных или стационарных платформ.
3. Потребление электроэнергии
MEMS-технологии обычно потребляют менее 1 Вт, что делает их идеальными для платформ с батарейным питанием и мобильных устройств. В отличие от них, волоконно-оптические гели (FOG) могут потреблять более 10 Вт из-за своих оптических систем на основе лазеров и часто требуют дополнительного теплоотвода — согласно сравнительным данным из продуктового портфолио GuideNav.
4. Долгосрочная стабильность
Гибридные оптоволоконные системы с замкнутым контуром обеспечивают превосходную долговременную точность и устойчивость к воздействию окружающей среды, в то время как микроэлектромеханические системы (MEMS), несмотря на прогресс в методах компенсации, все еще отстают в обеспечении устойчивой стабильности.
5. Стоимость
MEMS-технологии экономически эффективны и подходят для массового производства, в то время как волоконно-оптические гелиевые генераторы (FOG) значительно дороже и ориентированы на высокотехнологичные рынки, где критически важна точность.
После описания основных различий в точности, форм-факторе, энергоэффективности, долговременной стабильности и стоимости, в таблице ниже представлено подробное сравнение, позволяющее провести более обоснованную оценку.
| Особенность | MEMS IMU | ИМУ для тумана |
|---|---|---|
| Технологии | Кремниевые микромеханические датчики | Оптические гироскопы, использующие волоконно-оптические катушки и интерференцию света |
| Размер и форм-фактор | Очень компактный, подходит для проектов с ограниченным пространством | Более громоздкая форма из-за прокладки волокон и оптики |
| Точность | Умеренная точность для общего использования | Высокая точность, подходит для критически важных систем |
| Расходы | Низкая стоимость, идеально подходит для серийного производства | Значительно более высокая стоимость из-за сложности |
| Потребление электроэнергии | Высокая эффективность при минимальном энергопотреблении | Потребляет больше энергии, как правило, для высокопроизводительных систем |
| Типичные области применения | Дроны, носимые устройства, автомобильная промышленность, потребительские товары | Оборонная, аэрокосмическая, морская, высокотехнологичная промышленность |
| Принцип работы | Обнаруживает движение посредством вибрирующих конструкций из масс | Использует эффект Сагнака для определения угловой скорости |
| Экологическая стабильность | Со временем становится чувствительным к теплу и вибрации | Высокая устойчивость к термическому дрейфу и механическим нагрузкам |
| Уровень точности | Подходит для краткосрочной или вспомогательной навигации | Поддерживает курс ниже градуса в течение длительных периодов времени |
| Отзывчивость | Быстрая и отзывчивая работа в динамических системах | Стабильный отклик; немного медленнее, чем у MEMS |
| Долговечность | Прочные, но менее устойчивые в экстремальных условиях | Разработан для экстремальных условий, критически важных для выполнения конкретных задач |
| Усилия по интеграции | Простая интеграция с большинством платформ | Требуется тщательная настройка и согласование на системном уровне |
Может ли точность MEMS превзойти точность туманообразователей?
С точки зрения эксперта, волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) по-прежнему лидирует по точности , особенно с точки зрения стабильности смещения и низкого уровня шума . Именно поэтому он остается предпочтительным выбором для высокоточной навигации .
Но технология MEMS быстро развивается . Современные тактические MEMS-гироскопы способны на следующее:
- Нестабильность смещения может достигать 5°/час.
- Случайное блуждание под углом около 01°/√час
Это приближает их к моделям начального уровня , но в меньшем, более легком и значительно более дешевом форм-факторе.
Хотя высококлассные волоконно-оптические гироскопы (FOG) по-прежнему превосходят MEMS-технологии в задачах сверхточной и длительной работы, современные MEMS-технологии теперь достаточно точны для многих сложных применений, особенно когда размер, вес, энергопотребление и стоимость .
Каковы реальные сценарии применения MEMS и FOG-инерциальных измерительных блоков?
Выбор между MEMS и FOG в конечном итоге определяется тем , чему должна соответствовать система и какой уровень ошибок она может выдерживать с течением времени. Ниже приведено описание того, где каждая технология находит применение в реальных условиях:
Примеры применения MEMS IMU
MEMS-инерциальные измерительные блоки оптимизированы для применений, где размер, вес, энергопотребление и экономичность имеют приоритет над сверхвысокой точностью.
- Беспилотные летательные аппараты (БПЛА)
Идеально подходят для небольших и средних дронов, использующих GNSS для коррекции. - Робототехника для потребительского и промышленного применения.
Используется для отслеживания движения, управления балансом и обратной связи по ориентации. - Автомобильные системы (ADAS, инерциальная навигация, стабилизация)
при интеграции с GNSS или энкодерами колес. - Носимые и портативные устройства.
Датчики движения в компактных устройствах с батарейным питанием.
MEMS-технологии хорошо зарекомендовали себя в системах, где доступна внешняя коррекция и допустимый дрейф.
Примеры использования FOG IMU
Инерциальные измерительные блоки на основе волоконно-оптических гироскопов (FOG IMU) выбираются в тех случаях, когда точность инерции должна оставаться неизменной при нагрузке, изоляции или длительной эксплуатации .
- Оборонные и военные платформы.
Тактическая навигация, стабилизация транспортных средств, наведение ракет и башен. - Морские и подводные системы.
Суда большой дальности плавания, дистанционно управляемые подводные аппараты и инерциальная навигация в условиях сбоя GNSS. - Применение в космической и аэрокосмической отраслях:
стартовые платформы, спутники и системы управления ориентацией космических аппаратов. - Геодезические работы и высокоточное бурение.
Применение в тех областях, где требуется точность позиционирования с погрешностью менее одного градуса в течение длительного времени без корректировки.
FOG обеспечивает непрерывность выполнения задач в тех случаях, когда параметры MEMS могут выходить за пределы допустимых значений.
В GuideNav мы предлагаем широкий ассортимент инерциальных измерительных блоков (IMU) на основе MEMS и FOG, разработанных для удовлетворения разнообразных потребностей коммерческого, промышленного и оборонного секторов. Независимо от того, что для вас важнее – размер и эффективность или долговременная инерциальная точность, мы предлагаем решения, адаптированные к каждому конкретному диапазону характеристик.
Насколько дороже FOG по сравнению с MEMS?
Инерциальные измерительные блоки на основе волоконно-оптических гироскопов (FOG) обычно в 8-10 раз дороже, чем блоки на основе микроэлектромеханических систем (MEMS). Эта разница в цене обусловлена следующими факторами:
- Дорогостоящие компоненты, такие как волоконные катушки и интерферометрическая оптика
- Точная сборка, требующая жестких допусков и калибровки
- В отличие от MEMS-технологий, преимущества массового производства заключаются в мелкосерийном выпуске
В отличие от них, MEMS-инерциальные измерительные блоки используют экономически эффективные кремниевые процессы и легче масштабируются, в результате чего их цена часто составляет менее одной десятой от цены систем на основе волоконно-оптических гироскопов.
Как мне определить, что мне нужно для моего проекта: Mems или Fog?
Это зависит от вашего применения, требуемой точности и условий эксплуатации. В GuideNav мы предлагаем как MEMS-, так и волоконно-оптические инерциальные измерительные блоки (IMU) и инерциальные навигационные системы (INS), от компактных и экономичных устройств до высокоточных решений тактического класса.
Чтобы определить, какая сенсорная технология лучше всего подходит для вашего проекта, мы рекомендуем оценить следующие факторы:
- Подробности заявки.
- Основные требования к характеристикам: (например, стабильность смещения целевого объекта, динамический диапазон, условия окружающей среды и т. д.)
Все еще сомневаетесь? Сообщите нам характеристики вашей системы — мы порекомендуем оптимальный вариант для вашего компьютера.
