汽車航位推算(DR)導(dǎo)航系統(tǒng)采用一個陀螺儀(gyro)來推算車輛的即時航向。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)星信號因擁擠的城區(qū)環(huán)境或隧道而受阻時亦是如此。在DR導(dǎo)航中使用陀螺儀的一個重大挑戰(zhàn)是,，衛(wèi)星信號可能會丟失較長時間,，結(jié)果使累積角度誤差過大而無法精確定位車輛。本文為這個問題提出了一種簡單的解決辦法,。

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,。一個陀螺儀測量車輛的旋轉(zhuǎn)速率，單位為度/秒,。代表車輛即時航向的角度通過計算旋轉(zhuǎn)速率的時間積分而求得,。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,，積分速率可以表示為速率樣本和與采樣間隔之積：

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

隨時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,，隨著所需積分時間變長，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估板測得）模擬的是共含有3300個速率樣本的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，累積角度誤差隨時間而變大,。

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

用低通濾波器(LPF)縮短積分時間

降低角度誤差的傳統(tǒng)方法將重點放在減小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)中的陀螺儀可以長期運行，例如車輛行駛通過長隧道時GPS信號就不會丟失,。在DR導(dǎo)航應(yīng)用中,，較長的運行時間會導(dǎo)致角度誤差變大。

如果可以縮短積分時間,，則可以顯著降低累積角度誤差,。當(dāng)陀螺儀不旋轉(zhuǎn)時,，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,，即可輕松過濾掉數(shù)字域中的噪聲,。這一過程等效于低通濾波，因為與旋轉(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,，因此在速率積分時忽略不計。剩下的積分時間,，被認(rèn)為是有效積分時間,，只相當(dāng)于總積分時間的16%左右。如此可以大幅縮短積分時間,。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評估板和數(shù)字LPF測得的速率,。 （注：角度誤差未按比例繪制。）

在實際應(yīng)用中,，車輛方向盤一般位于零度處,。因此，可以通過忽略來減少陀螺儀速率的有效積分時間,，如圖3所示實驗中所做的那樣,。圖4所示為來自真實車載測試的陀螺儀速率樣本。在隧道中行駛大約180秒,，則需要180秒的速率積分時間,。如果不使用LPF過程，則180秒內(nèi)累積的誤差可能高達(dá)4°,，該值太大,，導(dǎo)致無法正確確定車輛在隧道中的位置。采用LPF過程,，將閾值設(shè)為0.5°/秒,，則有效積分時間縮短至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，可以根據(jù)具體應(yīng)用所需要的精度來定,。

圖4. 未經(jīng)過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)以及要求長積分時間的其他應(yīng)用中，通過設(shè)置LPF閾值來縮短積分時間是一種簡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,。采用芯片集成溫度補償技術(shù),，無需使用外部溫度傳感器，同時簡化了溫度補償算法,。其超高的抗沖擊和抗振動能力對汽車應(yīng)用具有十分重要的意義,。

作者

Ben Wang 是ADI公司中國深圳的現(xiàn)場應(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工作過六年。