MEMS vs FOG: Bạn nên chọn hệ thống quán tính nào?

1. Bối cảnh

Kể từ năm 1963, Con quay hồi chuyển Laser Vòng (RLG) đã chiếm ưu thế trong lĩnh vực định vị quán tính. Trong những năm gần đây, Con quay hồi chuyển Sợi quang (FOG) đã dần thay thế RLG nhờ những nâng cấp công nghệ. Trong khi đó, con quay hồi chuyển MEMS phát triển nhanh chóng hiện đang cạnh tranh ngang ngửa với FOG trong nhiều tình huống chiến thuật và định vị.

Các kỹ sư giờ đây cần đánh giá đầy đủ SWaP-C (Kích thước, Trọng lượng, Công suất và Chi phí) trước khi chọn cảm biến quán tính, thay vì đưa ra các quyết định đơn giản như trước đây.

2. FOG: Vẫn là lựa chọn hàng đầu cho các tình huống có độ chính xác cao

FOG là một giải pháp trưởng thành, đã được chứng minh cho các tác vụ định vị cao cấp. Nó có đặc điểm nhiễu cực thấp, độ trôi sai số ban đầu tối thiểu và độ ổn định tuyệt vời, điều này rất quan trọng khi tín hiệu GNSS không khả dụng.

Nó được áp dụng rộng rãi trong định vị dưới nước và hàng không vũ trụ. FOG có khả năng tìm hướng Bắc vượt trội: nó có thể phát hiện sự quay của Trái đất để tìm hướng Bắc thực trong vài phút ngay cả khi đang di chuyển, một lợi thế quan trọng đối với thiết bị dưới nước không thể dựa vào GPS.

Ngoài ra, FOG được hiệu chuẩn tốt hoạt động tốt hơn nhiều so với MEMS trước sự biến động nhiệt độ và rung động mạnh, làm cho nó trở nên lý tưởng cho máy bay, máy móc khai thác mỏ và các hệ thống ổn định hạng nặng. Nhược điểm chính của FOG là chi phí cao hơn, kích thước lớn hơn và trọng lượng nặng hơn.

3. MEMS: Khoảng cách hiệu suất đang thu hẹp nhanh chóng

Được xây dựng trên công nghệ vi chế tạo silicon, IMU MEMS đã phát triển vượt bậc. Điểm mạnh lớn nhất của nó là chi phí cực thấp (thường cao hơn FOG tới 10 lần), kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ ít năng lượng.

MEMS hoàn toàn phù hợp cho các ứng dụng nhạy cảm về chi phí, trọng lượng nhẹ như drone tiêu dùng, định vị xe cộ, ổn định máy ảnh và lập bản đồ LiDAR trên UAV. Nó kéo dài đáng kể thời gian hoạt động của các thiết bị không người lái chạy bằng pin.

Tuy nhiên, MEMS có những điểm yếu cố hữu. Nó nhạy cảm hơn với rung động và cộng hưởng âm thanh, đồng thời gặp phải lỗi nhạy gia tốc (g-sensitivity) do gia tốc tuyến tính gây ra. Những lỗi này sẽ tích lũy theo thời gian và yêu cầu bồi thường thuật toán bổ sung. Không giống như FOG, MEMS thường phụ thuộc vào la bàn từ hoặc GNSS để có được hướng chính xác.

4. Hướng dẫn so sánh & lựa chọn cuối cùng

So sánh hiệu suất cốt lõi

Bảng

Phù hợp ứng dụng điển hình

Bảng

5. Giải pháp lai: FOG + IMU MEMS

Một số nhà sản xuất đã tung ra các IMU lai kết hợp FOG và MEMS, chẳng hạn như sản phẩm của Tamagawa. Thiết kế này sử dụng i-FOG cho con quay hồi chuyển trục Z và con quay hồi chuyển MEMS cho các trục X/Y, cân bằng giữa độ chính xác cao, kích thước và chi phí cho việc đo lường tư thế.

Tóm tắt

FOG mang lại hiệu suất định vị cao nhất, đặc biệt là cho việc định vị thời gian dài mà không có GNSS. MEMS cao cấp là một giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí cho hầu hết các tình huống thương mại, khi kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp và kiểm soát ngân sách là ưu tiên. Đối với nhiều dự án, các mô-đun lai FOG + MEMS có thể đạt được sự cân bằng tốt giữa hiệu suất và chi phí.