【導(dǎo)讀】汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛的旋轉(zhuǎn)速率,單位為度/秒。代表車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛方向盤(pán)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)應(yīng)用具有十分重要的意義。
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