DR導航的工作原理

 

圖1所示為DR導航的基本工作原理。一個陀螺儀測量車輛的旋轉速率
，單位為度/秒。代表車輛即時航向的角度通過計算旋轉速率的時間積分而求得。結合航向和行駛距離，可以確定車輛的位置，如圖中的紅線所示。

 

圖1. DR導航的工作原理

 

使用數字陀螺儀時，積分速率可以表示為速率樣本和與采樣間隔之積：

 

 

其中，r_i 為陀螺儀檢測到的速率
，n 為樣本數

， τ 為采樣間隔。

 

隨時間累積的角度誤差可以表示為：

 

 

其中， e_i 為各樣本的速率誤差，n為樣本數，τ 為采樣間隔。

 

根據該公式，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導航係統。藍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製。）

 

用低通濾波器(LPF)縮短積分時間

 

降低角度誤差的傳統方法將重點放在減小en上
，但當今的數字陀螺儀的速率誤差規格已處於非常低的水平。例如，ADXRS810的靈敏度為80 LSB/°/秒，失調為±2°/秒，抗衝擊性為0.03°/秒/g 

，改善空間有限。另外，en 的補償算法非常複雜。與諸如電子穩定控製(ESC)等其他應用相比，DR導航係統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導航應用中，較長的運行時間會導致角度誤差變大。

 

如果可以縮短積分時間，則可以顯著降低累積角度誤差。當陀螺儀不旋轉時
，速率輸出較小，但因陀螺儀噪聲的影響，輸出不是零。ADXRS810具(ju)有(you)超(chao)低(di)的(de)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)噪(zao)聲(sheng)和(he)超(chao)高(gao)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)，隻(zhi)需(xu)設(she)置(zhi)相(xiang)應(ying)的(de)閾(yu)值(zhi)，即(ji)可(ke)輕(qing)鬆(song)過(guo)濾(lv)掉(diao)數(shu)字(zi)域(yu)中(zhong)的(de)噪(zao)聲(sheng)。這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)等(deng)效(xiao)於(yu)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)，因(yin)為(wei)與(yu)旋(xuan)轉(zhuan)導(dao)致(zhi)的(de)速(su)率(lv)輸(shu)出(chu)相(xiang)比(bi)，陀(tuo)螺(luo)儀(yi)速(su)率(lv)噪(zao)聲(sheng)處(chu)於(yu)高(gao)頻(pin)區(qu)。

 

圖3所示為圖2的LPF版本，其中，小於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，被認為是有效積分時間，隻相當於總積分時間的16%左右。如此可以大幅縮短積分時間。結果，累積角度誤差也顯著降低，如圖中的紅線所示。

 

圖3. 使用ADXRS810評估板和數字LPF測得的速率。 （注：角度誤差未按比例繪製。）

 

在實際應用中，車輛方向盤一般位於零度處。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秒內累積的誤差可能高達4°
，該值太大，導致無法正確確定車輛在隧道中的位置。采用LPF過程，將閾值設為0.5°/秒
，則有效積分時間縮短至84秒
，減幅達53%左右。累積誤差降至約0.5°，如圖5所示。設置LPF閾值時
，可以根據具體應用所需要的精度來定。

 

圖4. 未經過濾的車載陀螺儀速率樣本。（注：角度誤差未按比例繪製。）

 

圖5. 使用LPF後的車載陀螺儀速率樣本。（注：角度誤差未按比例繪製。）

 

結論

 

如今的數字陀螺儀具有出色的規格特性，因此，其性能的提升餘地有限。在車載DR導航係統以及要求長積分時間的其他應用中，通過設置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
、低成本數字陀螺儀采用ADI公司的新型MEMS技術，是車載DR導航應用的上佳選擇。該陀螺儀采用超小型封裝，具有低失調、低(di)噪(zao)聲(sheng)和(he)高(gao)速(su)率(lv)靈(ling)敏(min)度(du)的(de)特(te)點(dian)。采(cai)用(yong)芯(xin)片(pian)集(ji)成(cheng)溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)技(ji)術(shu)，無(wu)需(xu)使(shi)用(yong)外(wai)部(bu)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)，同(tong)時(shi)簡(jian)化(hua)了(le)溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)算(suan)法(fa)。其(qi)超(chao)高(gao)的(de)抗(kang)衝(chong)擊(ji)和(he)抗(kang)振(zhen)動(dong)能(neng)力(li)對(dui)汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)具(ju)有(you)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。

 

 

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