选择惯性测量单元: 光纤惯性测量单元vs MEMS 惯性测量单元

概念

IMU全名为惯性测量单元。惯性测量单元包含一个3轴加速度计和一个3轴的陀螺仪，是测量物体三轴姿态角（或角速度）以及加速度的装置。惯性测量单元能够通过测量载体在三维空间中的角度和加速度，从而解算出载体的位置和姿态。现如今惯性测量单元 技术的进步彻底改变了定位和导航行业，随着新型 MEMS 陀螺仪传感器达到更高的精度，微机电系统 (MEMS) 陀螺仪和光纤陀螺仪 (FOG) 之间的差距正在缩小。目前两种最常见的 惯性测量单元类型是围绕微机电系统 (MEMS) 技术和光纤陀螺仪 (FOG) 技术构建的。

MEMS惯性测量单元＆光纤惯性测量单元的概念

1.MEMS惯性测量单元

MEMS 惯性测量单元中包含了MEMS加计和MEMS陀螺仪。MEMS 加速度计检测线性加速度，然后可用于计算速度和距离。MEMS 陀螺仪检测旋转运动，通常用于确定航向和/或姿态（滚动和俯仰）。当来自加速度计和陀螺仪的数据随着时间的推移结合起来时，可以计算出物体相对于其起点的位置。

由于 MEMS 惯性测量单元尺寸小、采用主流制造工艺、使用普通材料且广泛采用，因此平均而言比光纤同类产品更小、更轻、功耗更低且价格更便宜。然而，由于 MEMS 惯性测量单元包含更多的微机械组件并且对温度波动更敏感，因此它们往往比光纤同类产品精度更低、噪音更大。如果需要在较长时间内获得准确的位置数据，MEMS 惯性测量单元 通常与 GNSS 接收器或其他提供补充位置信息的传感器技术结合使用。

MEMS惯性传感器体积小，重量轻，功耗低且成本低，换句话说，它们具有低SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）的所有最理想的特性。应用包括移动电话、车辆导航系统、自主地面车辆、飞行无人机和机器人系统。

由于MEMS 传感器更小、更轻，但由于其机械特性，它们对未建模的温度和振动效应更加敏感。这些效应会增加噪声（角度随机游走）并导致建模噪声系数的偏差。国内西安北斗测控技术有限公司自主研发的惯性测量单元为全球客户提供高可靠性、低成本的光纤/MEMS惯性测量单元，北斗测控不仅提供标准的惯性测量单元产品，还可以根据客户的特殊要求定制光纤/MEMS。例如NS-MIMU01采用优质可靠的MEMS加速度计和陀螺仪，配有X、Y、Z三轴精密陀螺仪、X、Y、Z三轴加速度计，分辨率高，可通过RS422输出X、Y、Z三轴陀螺仪和加速度计的原始十六进制补码数据（包括陀螺仪十六进制补码）数值温度、角度、加速度计十六进制温度、加速度十六进制补数）；它还可以输出经过底层计算处理的陀螺仪和加速度计的浮点无量纲值。有关 此款产品的惯性测量单元 精度参数的更多信息，请参考下方表格。

性能	参数	Unit
陀螺仪性能
范围	100	deg/s
带宽（-3dB）	12	Hz
25°C 时的标度因数	80000	LSB/(deg/s)
标度因数重复性 (1σ)	<50	ppm
标度因数VS 温度 (1σ)	300	ppm
标度因数非线性 (1σ)	<200	ppm
零偏不稳定	<0.02	deg/hr
零偏稳定性（10s 1σ）	<0.1	deg/hr
角度随机游走	<0.005	°/√h
随温度变化的零偏误差 (1σ)	3	deg/hr
零偏温度变化，已校准 (1σ)	<0.3	deg/hr
零偏运行-运行 (1σ)	<0.1	deg/hr
加速度计性能
范围	30	g
带宽	100	Hz
零偏稳定性 (1s)(1σ)	<30	ug
零偏重复性	200-500	ug
零偏温度系数	<20	ug/℃
零偏温度滞后	<0.5	mg
标度因数非线性	<500	ppm
标度因数重复性	<300	ppm
标度因数温度系数	10	ppm/℃
II类非线性系数	<100	ug/g2
标度因数	400000-800000	μg/LSB
系统性能
电源电压	6~12V
供应消耗	2V
接口	RS422
振动	6.06g（10~2000Hz）
冲击	5000g，0.1ms
操作温度	-40℃~+80℃
储存温度	-55℃~+105℃
重量	≤100g（不带壳） ≤220g（带壳）
尺寸	43.2mm*43.2mm*35.5mm（不带外壳） 65mm*70mm*45.5mm（带外壳）

2.光纤惯性测量单元

顾名思义，光纤惯性测量单元是惯性测量单元 的一种，它使用光纤来测量任何物体的角速度或旋转速率。由于光纤陀螺仪的噪声低，该技术已广泛应用于要求苛刻的导航应用。光纤本质上比基于 MEMS 的系统更加准确和稳定，这使得它们成为 GNSS 信号不可用的场景（例如采矿和航海应用）或可能发生 GNSS 拒绝的情况的替代方案。光纤的另一个显着特点是其快速寻北能力。即使 惯性测量单元本身在移动，光纤惯性测量单元也可以测量地球的角旋转，并在短短几分钟内实现航向。

光纤陀螺仪使用光纤环路并测量相对环路中光束的干涉，以检测每个轴的旋转。所使用的硬件更昂贵、更大并且通常消耗更多功率，但其缺乏移动部件使其对温度变化和机械振动不太敏感。而且光纤陀螺罗盘没有移动部件，这使得它们比 MEMS 陀螺罗盘更能承受振动和冲击。这意味着它们非常适合可能经历强烈振动水平的应用，例如采矿、国防、水面舰艇和航空航天以及重型设备稳定等要求严格的高温、高振动环境。

NS-FIMU50  光纤惯性测量单元是一款用于导航、控制和动态测量的最低成本效益的惯性测量设备。系统采用高可靠性闭环光纤陀螺仪和加速度计，并通过多重补偿技术保证测量精度。制造过程中采用严格的技术，确保在恶劣的条件下能够精确测量载体的角运动和直线运动参数。

该产品具有良好的用户体验。除了宽电压供电外，用户还可以根据需要配置输出带宽、数据更新速率、通信端口波特率和通信协议。 可应用在航空航迹参考系统，制导控制系统，船姿态测量，惯性/卫星组合导航系统，钻井系统，移动测绘系统，移动中的卫星通信等领域。

MEMS 惯性测量单元和光纤惯性测量单元之间的区别：

由于其具备的陀螺仪不同，因此这两种类型的IMU具有很大的区别，下面将介绍他们的10个区别。

1.技术：

MEMS 惯性测量单元使用带有基于微加工技术的加速度计和陀螺仪的微机电系统。

光纤惯性测量单元采用光纤陀螺仪，利用光纤中的光干涉原理。

2.工作准则：

MEMS 惯性测量单元利用由于加速度或旋转而导致的微观结构偏转来测量运动。

光纤惯性测量单元通过检测光纤线圈中由于旋转而产生的光相移来测量运动。

3.准确性：

与 MEMS惯性测量单元相比，光纤惯性测量单元具有更高的准确度和精确度。这使得它们在用户长时间依赖惯性测量单元的情况下特别有用：精确的系统即使在几个小时后也能计算出接近真实位置的位置。

4.尺寸和外形：

MEMS惯性测量单元更小、更紧凑，适合集成到消费电子产品等较小的设备中。

光纤惯性测量单元通常更大、更重，通常用于航空航天和国防应用等大型系统。

5.成本：

与光纤惯性测量单元相比，MEMS 惯性测量单元通常更具成本效益，使其广泛应用于消费产品中。

由于其精度更高、内部组件高度专业化以及复杂的先进制造工艺，光纤惯性测量单元更加昂贵。

6.能量消耗：

MEMS 惯性测量单元通常具有较低的功耗，因此适合便携式和电池供电的设备。

光纤惯性测量单元消耗更多功率，这在陆地车辆和飞机等具有现成电源的应用中不太重要。

7.应用：

MEMS惯性测量单元可用于测井工具/陀螺仪工具中的寻北，先进采矿/钻井设备中的指向、卫星天线、目标跟踪系统中的方向，导航级MEMS IMU/INS中的精密姿态、位置，测量 大地测量/陆地移动测绘系统中的寻北与定位，石油勘探，桥梁、高层建筑、塔楼、大坝监测，岩土监控，挖矿等。 

光纤惯性测量单元通常用于航空航天、国防、海洋导航和其他高精度应用，特别是在 GNSS 不可用或不可靠的情况下，例如地下采矿或军事环境。

8.鲁棒性：

MEMS惯性测量单元可能容易受到极端温度和高振动等环境因素的影响，从而影响其精度。

光纤惯性测量单元更加坚固和稳定，使其更适合特别恶劣和苛刻的环境。

9.校准和自动寻北：

由于随时间推移可能发生漂移，MEMS惯性测量单元可能需要更频繁的校准才能保持精度。它们不够灵敏，无法自动找到准确的航向，除非连接到 GNSS 接收器。

光纤惯性测量单元具有更好的长期稳定性，通常需要较少的校准频率来保持准确的航向或位置。最精确的光纤陀螺系统非常灵敏，可以通过检测地球的自转来确定北方在哪里。

10.一体化：

由于 MEMS 惯性测量单元尺寸更小且功耗要求更低，因此更容易集成到紧凑型设备中。

光纤惯性测量单元通常用于较大的系统，可以适应其尺寸和重量并满足其更高的功率需求。

MEMS惯性测量单元与光纤惯性测量单元的选择

综上所述，惯性测量单元的选择取决于应用和环境。可以根据不同的应用场景，精度要求等选择适合自己的IMU类型。

MEMS 惯性测量单元 适用于：重量轻、尺寸小，低功耗，短距离指向传感器，可预测动态环境中的 GNSS 集成。

光纤惯性测量单元适用于：绝对姿态精度，高温，高振动，随时间变化的偏置稳定性。

上述内容只是简单的从三个方面简述MEMS 惯性测量单元与光纤惯性测量单元，可作为选择惯性测量单元的参考，如果想具体了解惯性测量单元产品请联系我们技术人员。