縮短積分時間提高航位推算導(dǎo)航系統(tǒng)的精度

汽車航位推算 （DR） 導(dǎo)航系統(tǒng)使用陀螺儀（陀螺儀）來估計車輛的瞬時航向。這些信息與行駛距離相結(jié)合，使導(dǎo)航系統(tǒng)能夠正確確定車輛的位置，即使在擁擠的市區(qū)或隧道中衛(wèi)星信號被阻擋時也是如此。在DR導(dǎo)航中使用陀螺儀的一個主要挑戰(zhàn)是衛(wèi)星信號可能會長時間丟失，導(dǎo)致累積的角度誤差變得太大而無法準(zhǔn)確定位車輛。本文提供了一種解決此問題的簡單方法。

災(zāi)難恢復(fù)導(dǎo)航的工作原理

DR導(dǎo)航的基本操作如圖1所示。陀螺儀以度/秒為單位測量車輛的旋轉(zhuǎn)速率。代表車輛瞬時航向的角度是通過對隨時間變化的旋轉(zhuǎn)速率進行積分來計算的。結(jié)合航向和行駛距離可以確定車輛的位置，如紅線所示。

圖1.災(zāi)難恢復(fù)導(dǎo)航的工作原理。

使用數(shù)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(yīng)的速率，n 是樣本數(shù)，τ 是采樣間隔。

隨時間累積的角度誤差可以表示為：

其中ei是每個樣本的速率誤差，n 是樣本數(shù)，τ 是采樣間隔。

根據(jù)公式，隨著所需積分時間的延長，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的評估板進行測量，模擬DR導(dǎo)航系統(tǒng)，記錄了3300個總速率樣本。藍線顯示陀螺儀速率樣本;紅線顯示累積的角度誤差。很明顯，累積的角度誤差隨著時間的推移而增加。

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） 縮短積分時間

減少角度誤差的傳統(tǒng)方法側(cè)重于最小化en，但今天的數(shù)字陀螺儀已經(jīng)具有非常低的速率誤差規(guī)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，改進空間有限。此外，該算法補償en很復(fù)雜。例如，與電子穩(wěn)定控制（ESC）等其他應(yīng)用相比，DR導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀可以長時間運行，例如當(dāng)車輛通過長隧道時GPS信號丟失時。在DR導(dǎo)航應(yīng)用中，運行時間越長，累積的角度誤差越大。

如果積分時間可以減少，它將顯著減少累積的角度誤差。當(dāng)陀螺儀不旋轉(zhuǎn)時，由于陀螺儀噪聲，速率輸出很小，但非零。ADXRS810實現(xiàn)了極低的陀螺儀噪聲和極高的靈敏度，只需設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝导纯奢p松濾除數(shù)字域中的噪聲。這個過程等效于低通濾波，因為陀螺儀速率噪聲與旋轉(zhuǎn)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，因此在進行速率積分時被忽略。剩余的積分時間，被認為是有效的積分時間，僅占總積分時間的16%左右。這大大減少了集成時間。因此，累積的角度誤差也顯著降低，如紅線所示。

圖3.使用ADXRS810評估板和數(shù)字LPF測量速率。（注意：角度誤差不是按比例計算的。

在實際應(yīng)用中，車輛方向盤通常定位為零度。因此，陀螺儀速率的有效積分時間可以通過忽略它來減少，就像在圖3中描述的實驗中所做的那樣。圖4顯示了實際車載測試的陀螺儀速率樣本。通過隧道大約 180 秒，需要 180 秒才能進行速率積分。如果沒有LPF過程，超過180秒的累積誤差可能高達4°，這太大了，無法正確確定車輛在隧道中的位置。通過實施閾值為0.5°/秒的LPF工藝，有效積分時間縮短至僅84秒，減少了約53%。累積誤差降至約0.5°，如圖5所示?？梢栽O(shè)置 LPF 閾值以達到特定應(yīng)用所需的精度。

圖4.未經(jīng)過濾的車載陀螺儀速率樣本。（注意：角度誤差不是按比例計算的。

圖5.LPF后的車載陀螺儀速率樣本。（注意：角度誤差不是按比例計算的。

結(jié)論

當(dāng)今的數(shù)字陀螺儀具有出色的規(guī)格，因此提高性能的空間非常有限。在車輛DR導(dǎo)航系統(tǒng)和其他需要較長積分時間的應(yīng)用中，設(shè)置LPF閾值以減少積分時間是提高精度的簡單但有效的方法。

ADXRS810高性能、低成本數(shù)字陀螺儀采用ADI公司創(chuàng)新的MEMS技術(shù)，是車輛DR導(dǎo)航應(yīng)用的理想選擇。該器件采用非常小的封裝，提供低失調(diào)、低噪聲和高速率靈敏度。片內(nèi)溫度補償，無需外部溫度傳感器，簡化了溫度補償算法。其對沖擊和振動的高抗擾度在汽車應(yīng)用中非常重要。