汽車(chē)航位推算 （DR） 導(dǎo)航系統(tǒng)使用陀螺儀（陀螺儀）來(lái)估計(jì)車(chē)輛的瞬時(shí)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(chē)輛的位置，即使在擁擠的市區(qū)或隧道中衛(wèi)星信號(hào)被阻擋時(shí)也是如此。在DR導(dǎo)航中使用陀螺儀的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是衛(wèi)星信號(hào)可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間丟失，導(dǎo)致累積的角度誤差變得太大而無(wú)法準(zhǔn)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(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(cè)量車(chē)輛的旋轉(zhuǎn)速率。代表車(chē)輛瞬時(shí)航向的角度是通過(guò)對(duì)隨時(shí)間變化的旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行積分來(lái)計(jì)算的。結(jié)合航向和行駛距離可以確定車(chē)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(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(shù)，τ 是采樣間隔。
根據(jù)公式，隨著所需積分時(shí)間的延長(zhǎng)，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(píng)估板進(jìn)行測(cè)量，模擬DR導(dǎo)航系統(tǒng)，記錄了3300個(gè)總速率樣本。藍(lán)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(shí)間的推移而增加。
圖2.使用ADXRS810評(píng)估板測(cè)量的速率。（注意：角度誤差不是按比例計(jì)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(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(jìn)空間有限。此外，該算法補(bǔ)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，例如當(dāng)車(chē)輛通過(guò)長(zhǎng)隧道時(shí)GPS信號(hào)丟失時(shí)。在DR導(dǎo)航應(yīng)用中，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，累積的角度誤差越大。
如果積分時(shí)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(shí)，由于陀螺儀噪聲，速率輸出很小，但非零。ADXRS810實(shí)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(gè)過(guò)程等效于低通濾波，因?yàn)橥勇輧x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?xì)w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(rèn)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降低，如紅線所示。
圖3.使用ADXRS810評(píng)估板和數(shù)字LPF測(cè)量速率。（注意：角度誤差不是按比例計(jì)算的。
在實(shí)際應(yīng)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(yàn)中所做的那樣。圖4顯示了實(shí)際車(chē)載測(cè)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(dá)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。可以設(shè)置 LPF 閾值以達(dá)到特定應(yīng)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(jì)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(jì)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(chē)輛DR導(dǎo)航系統(tǒng)和其他需要較長(zhǎng)積分時(shí)間的應(yīng)用中，設(shè)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(shù)字陀螺儀采用ADI公司創(chuàng)新的MEMS技術(shù)，是車(chē)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(bǔ)償，無(wú)需外部溫度傳感器，簡(jiǎn)化了溫度補(bǔ)償算法。其對(duì)沖擊和振動(dòng)的高抗擾度在汽車(chē)應(yīng)用中非常重要。
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