汽車航位推算 （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)量車輛的旋轉(zhuǎn)速率,。代表車輛瞬時(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，車輛方向盤通常定位為零度,。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(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)的高抗擾度在汽車應(yīng)用中非常重要,。
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