汽車航位推算(DR)導(dǎo)航系統(tǒng)采用一個(gè)陀螺儀(gyro)來(lái)推算車輛的即時(shí)航向。借助該信息再加上行駛的距離,，導(dǎo)航系統(tǒng)可以正確確定車輛的位置,，即使衛(wèi)星信號(hào)因擁擠的城區(qū)環(huán)境或隧道而受阻時(shí)亦是如此。在DR導(dǎo)航中使用陀螺儀的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是,，衛(wèi)星信號(hào)可能會(huì)丟失較長(zhǎng)時(shí)間,，結(jié)果使累積角度誤差過(guò)大而無(wú)法精確定位車輛。本文為這個(gè)問(wèn)題提出了一種簡(jiǎn)單的解決辦法,。

DR導(dǎo)航的工作原理

圖1所示為DR導(dǎo)航的基本工作原理,。一個(gè)陀螺儀測(cè)量車輛的旋轉(zhuǎn)速率，單位為度/秒,。代表車輛即時(shí)航向的角度通過(guò)計(jì)算旋轉(zhuǎn)速率的時(shí)間積分而求得,。結(jié)合航向和行駛距離，可以確定車輛的位置,，如圖中的紅線所示,。

圖1. DR導(dǎo)航的工作原理

使用數(shù)字陀螺儀時(shí)，積分速率可以表示為速率樣本和與采樣間隔之積：

其中，ri 為陀螺儀檢測(cè)到的速率,，n 為樣本數(shù),， τ 為采樣間隔。

隨時(shí)間累積的角度誤差可以表示為：

其中,， ei 為各樣本的速率誤差,，n為樣本數(shù)，τ 為采樣間隔,。

根據(jù)該公式,，隨著所需積分時(shí)間變長(zhǎng)，累積誤差變大,，如圖2所示,。這些速率樣本（用帶ADXRS810高性能角速率傳感器的評(píng)估板測(cè)得）模擬的是共含有3300個(gè)速率樣本的DR導(dǎo)航系統(tǒng)。藍(lán)線表示陀螺儀速率樣本,；紅線表示累積角度誤差,。顯然，累積角度誤差隨時(shí)間而變大,。

圖2. 使用ADXRS810評(píng)估板測(cè)得的速率,。（注：角度誤差未按比例繪制。）

用低通濾波器(LPF)縮短積分時(shí)間

降低角度誤差的傳統(tǒng)方法將重點(diǎn)放在減小en上,，但當(dāng)今的數(shù)字陀螺儀的速率誤差規(guī)格已處于非常低的水平,。例如，ADXRS810的靈敏度為80 LSB/°/秒,，失調(diào)為±2°/秒,，抗沖擊性為0.03°/秒/g  ，改善空間有限,。另外,，en 的補(bǔ)償算法非常復(fù)雜。與諸如電子穩(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)期運(yùn)行,，例如車輛行駛通過(guò)長(zhǎng)隧道時(shí)GPS信號(hào)就不會(huì)丟失。在DR導(dǎo)航應(yīng)用中,，較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間會(huì)導(dǎo)致角度誤差變大,。

如果可以縮短積分時(shí)間，則可以顯著降低累積角度誤差,。當(dāng)陀螺儀不旋轉(zhuǎn)時(shí),，速率輸出較小，但因陀螺儀噪聲的影響,，輸出不是零,。ADXRS810具有超低的陀螺儀噪聲和超高的靈敏度,，只需設(shè)置相應(yīng)的閾值，即可輕松過(guò)濾掉數(shù)字域中的噪聲,。這一過(guò)程等效于低通濾波，因?yàn)榕c旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的速率輸出相比,，陀螺儀速率噪聲處于高頻區(qū),。

圖3所示為圖2的LPF版本，其中,，小于1°/s的所有速率樣本均歸零處理,，因此在速率積分時(shí)忽略不計(jì)。剩下的積分時(shí)間,，被認(rèn)為是有效積分時(shí)間,，只相當(dāng)于總積分時(shí)間的16%左右。如此可以大幅縮短積分時(shí)間,。結(jié)果,，累積角度誤差也顯著降低，如圖中的紅線所示,。

圖3. 使用ADXRS810評(píng)估板和數(shù)字LPF測(cè)得的速率,。 （注：角度誤差未按比例繪制。）

在實(shí)際應(yīng)用中,，車輛方向盤一般位于零度處,。因此，可以通過(guò)忽略來(lái)減少陀螺儀速率的有效積分時(shí)間,，如圖3所示實(shí)驗(yàn)中所做的那樣,。圖4所示為來(lái)自真實(shí)車載測(cè)試的陀螺儀速率樣本。在隧道中行駛大約180秒,，則需要180秒的速率積分時(shí)間,。如果不使用LPF過(guò)程，則180秒內(nèi)累積的誤差可能高達(dá)4°,，該值太大,，導(dǎo)致無(wú)法正確確定車輛在隧道中的位置。采用LPF過(guò)程,，將閾值設(shè)為0.5°/秒,，則有效積分時(shí)間縮短至84秒，減幅達(dá)53%左右,。累積誤差降至約0.5°,，如圖5所示。設(shè)置LPF閾值時(shí),，可以根據(jù)具體應(yīng)用所需要的精度來(lái)定,。

圖4. 未經(jīng)過(guò)濾的車載陀螺儀速率樣本,。（注：角度誤差未按比例繪制。）

圖5. 使用LPF后的車載陀螺儀速率樣本,。（注：角度誤差未按比例繪制,。）

結(jié)論

如今的數(shù)字陀螺儀具有出色的規(guī)格特性，因此,，其性能的提升余地有限,。在車載DR導(dǎo)航系統(tǒng)以及要求長(zhǎng)積分時(shí)間的其他應(yīng)用中，通過(guò)設(shè)置LPF閾值來(lái)縮短積分時(shí)間是一種簡(jiǎn)單但有效的精度提升方法,。

ADXRS810高性能,、低成本數(shù)字陀螺儀采用ADI公司的新型MEMS技術(shù)，是車載DR導(dǎo)航應(yīng)用的上佳選擇,。該陀螺儀采用超小型封裝,，具有低失調(diào)、低噪聲和高速率靈敏度的特點(diǎn),。采用芯片集成溫度補(bǔ)償技術(shù),，無(wú)需使用外部溫度傳感器，同時(shí)簡(jiǎn)化了溫度補(bǔ)償算法,。其超高的抗沖擊和抗振動(dòng)能力對(duì)汽車應(yīng)用具有十分重要的意義,。

作者

Ben Wang 是ADI公司中國(guó)深圳的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師(FAE)，畢業(yè)于湖南大學(xué),。他于2009年6月加入ADI公司,，此前在National Semiconductor工作過(guò)六年。