【導讀】汽車(chē)航位推算 （DR） 導航系統使用陀螺儀（陀螺儀）來(lái)估計車(chē)輛的瞬時(shí)航向。這些信息與行駛距離相結合，使導航系統能夠正確確定車(chē)輛的位置，即使在擁擠的市區或隧道中衛星信號被阻擋時(shí)也是如此。在DR導航中使用陀螺儀的一個(gè)主要挑戰是衛星信號可能會(huì )長(cháng)時(shí)間丟失，導致累積的角度誤差變得太大而無(wú)法準確定位車(chē)輛。本文提供了一種解決此問(wèn)題的簡(jiǎn)單方法。
汽車(chē)航位推算 （DR） 導航系統使用陀螺儀（陀螺儀）來(lái)估計車(chē)輛的瞬時(shí)航向。這些信息與行駛距離相結合，使導航系統能夠正確確定車(chē)輛的位置，即使在擁擠的市區或隧道中衛星信號被阻擋時(shí)也是如此。在DR導航中使用陀螺儀的一個(gè)主要挑戰是衛星信號可能會(huì )長(cháng)時(shí)間丟失，導致累積的角度誤差變得太大而無(wú)法準確定位車(chē)輛。本文提供了一種解決此問(wèn)題的簡(jiǎn)單方法。
災難恢復導航的工作原理
DR導航的基本操作如圖1所示。陀螺儀以度/秒為單位測量車(chē)輛的旋轉速率。代表車(chē)輛瞬時(shí)航向的角度是通過(guò)對隨時(shí)間變化的旋轉速率進(jìn)行積分來(lái)計算的。結合航向和行駛距離可以確定車(chē)輛的位置，如紅線(xiàn)所示。
圖1.災難恢復導航的工作原理。
使用數字陀螺儀，積分速率可以表示為速率樣本的總和乘以采樣間隔：
其中ri 是陀螺儀感應的速率，n 是樣本數，τ 是采樣間隔。
隨時(shí)間累積的角度誤差可以表示為：
其中ei是每個(gè)樣本的速率誤差，n 是樣本數，τ 是采樣間隔。
根據公式，隨著(zhù)所需積分時(shí)間的延長(cháng)，累積誤差也越大，如圖2所示。這些速率樣本使用帶有高性能角速率傳感器ADXRS810的評估板進(jìn)行測量，模擬DR導航系統，記錄了3300個(gè)總速率樣本。藍線(xiàn)顯示陀螺儀速率樣本;紅線(xiàn)顯示累積的角度誤差。很明顯，累積的角度誤差隨著(zhù)時(shí)間的推移而增加。
圖2.使用ADXRS810評估板測量的速率。（注意：角度誤差不是按比例計算的。
使用低通濾波器 （LPF）縮短積分時(shí)間
減少角度誤差的傳統方法側重于最小化en，但今天的數字陀螺儀已經(jīng)具有非常低的速率誤差規格。例如，ADXRS810具有80 LSB/°/sec的靈敏度、±2°/sec的偏移和0.03°/sec/g的抗沖擊性，改進(jìn)空間有限。此外，該算法補償en很復雜。例如，與電子穩定控制（ESC）等其他應用相比，DR導航系統中的陀螺儀可以長(cháng)時(shí)間運行，例如當車(chē)輛通過(guò)長(cháng)隧道時(shí)GPS信號丟失時(shí)。在DR導航應用中，運行時(shí)間越長(cháng)，累積的角度誤差越大。
如果積分時(shí)間可以減少，它將顯著(zhù)減少累積的角度誤差。當陀螺儀不旋轉時(shí)，由于陀螺儀噪聲，速率輸出很小，但非零。ADXRS810實(shí)現了極低的陀螺儀噪聲和極高的靈敏度，只需設置適當的閾值即可輕松濾除數字域中的噪聲。這個(gè)過(guò)程等效于低通濾波，因為陀螺儀速率噪聲與旋轉引起的速率輸出相比處于高頻。
圖3顯示了圖2的LPF版本，其中所有小于1°/s的速率樣本都歸零，因此在進(jìn)行速率積分時(shí)被忽略。剩余的積分時(shí)間，被認為是有效的積分時(shí)間，僅占總積分時(shí)間的16%左右。這大大減少了集成時(shí)間。因此，累積的角度誤差也顯著(zhù)降低，如紅線(xiàn)所示。
圖3.使用ADXRS810評估板和數字LPF測量速率。（注意：角度誤差不是按比例計算的。
在實(shí)際應用中，車(chē)輛方向盤(pán)通常定位為零度。因此，陀螺儀速率的有效積分時(shí)間可以通過(guò)忽略它來(lái)減少，就像在圖3中描述的實(shí)驗中所做的那樣。圖4顯示了實(shí)際車(chē)載測試的陀螺儀速率樣本。通過(guò)隧道大約 180 秒，需要 180 秒才能進(jìn)行速率積分。如果沒(méi)有LPF過(guò)程，超過(guò)180秒的累積誤差可能高達4°，這太大了，無(wú)法正確確定車(chē)輛在隧道中的位置。通過(guò)實(shí)施閾值為0.5°/秒的LPF工藝，有效積分時(shí)間縮短至僅84秒，減少了約53%。累積誤差降至約0.5°，如圖5所示?？梢栽O置 LPF 閾值以達到特定應用所需的精度。
圖4.未經(jīng)過(guò)濾的車(chē)載陀螺儀速率樣本。（注意：角度誤差不是按比例計算的。
圖5.LPF后的車(chē)載陀螺儀速率樣本。（注意：角度誤差不是按比例計算的。
結論
當今的數字陀螺儀具有出色的規格，因此提高性能的空間非常有限。在車(chē)輛DR導航系統和其他需要較長(cháng)積分時(shí)間的應用中，設置LPF閾值以減少積分時(shí)間是提高精度的簡(jiǎn)單但有效的方法。
ADXRS810高性能、低成本數字陀螺儀采用ADI公司創(chuàng )新的MEMS技術(shù)，是車(chē)輛DR導航應用的理想選擇。該器件采用非常小的封裝，提供低失調、低噪聲和高速率靈敏度。片內溫度補償，無(wú)需外部溫度傳感器，簡(jiǎn)化了溫度補償算法。其對沖擊和振動(dòng)的高抗擾度在汽車(chē)應用中非常重要。
(來(lái)源：中電網(wǎng)，作者：Ben Wang）
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