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基于ADXRS810提高航位推算导航系统的精度

汽车航位推算(DR)导航系统采用一个陀螺仪(gyro)来推算车辆的即时航向。借助该信息再加上行驶的距离,导航系统可以正确确定车辆的位置,即使卫星信号因拥挤的城区环境或隧道而受阻时亦是如此。在DR导航中使用陀螺仪的一个重大挑战是,卫星信号可能会丢失较长时间,结果使累积角度误差过大而无法精确定位车辆。本文为这个问题提出了一种简单的解决办法。

DR导航的工作原理

图1所示为DR导航的基本工作原理。一个陀螺仪测量车辆的旋转速率,单位为度/秒。代表车辆即时航向的角度通过计算旋转速率的时间积分而求得。结合航向和行驶距离,可以确定车辆的位置,如图中的红线所示。
Figure 1
图1. DR导航的工作原理
使用数字陀螺仪时,积分速率可以表示为速率样本和与采样间隔之积:
Equation 1
其中,ri 为陀螺仪检测到的速率,n 为样本数, τ 为采样间隔。
随时间累积的角度误差可以表示为:
Equation 2
其中, ei 为各样本的速率误差,n为样本数,τ 为采样间隔。
根据该公式,随着所需积分时间变长,累积误差变大,如图2所示。这些速率样本(用带ADXRS810高性能角速率传感器的评估板测得)模拟的是共含有3300个速率样本的DR导航系统。蓝线表示陀螺仪速率样本;红线表示累积角度误差。显然,累积角度误差随时间而变大。
Figure 2
图2. 使用ADXRS810评估板测得的速率。(注:角度误差未按比例绘制。)

用低通滤波器(LPF)缩短积分时间

降低角度误差的传统方法将重点放在减小en上,但当今的数字陀螺仪的速率误差规格已处于非常低的水平。例如,ADXRS810的灵敏度为80 LSB/°/秒,失调为±2°/秒,抗冲击性为0.03°/秒/g ,改善空间有限。另外,en 的补偿算法非常复杂。与诸如电子稳定控制(ESC)等其他应用相比,DR导航系统中的陀螺仪可以长期运行,例如车辆行驶通过长隧道时GPS信号就不会丢失。在DR导航应用中,较长的运行时间会导致角度误差变大。
如果可以缩短积分时间,则可以显著降低累积角度误差。当陀螺仪不旋转时,速率输出较小,但因陀螺仪噪声的影响,输出不是零。ADXRS810具有超低的陀螺仪噪声和超高的灵敏度,只需设置相应的阈值,即可轻松过滤掉数字域中的噪声。这一过程等效于低通滤波,因为与旋转导致的速率输出相比,陀螺仪速率噪声处于高频区。
图3所示为图2的LPF版本,其中,小于1°/s的所有速率样本均归零处理,因此在速率积分时忽略不计。剩下的积分时间,被认为是有效积分时间,只相当于总积分时间的16%左右。如此可以大幅缩短积分时间。结果,累积角度误差也显著降低,如图中的红线所示。
Figure 3
图3. 使用ADXRS810评估板和数字LPF测得的速率。 (注:角度误差未按比例绘制。)
在实际应用中,车辆方向盘一般位于零度处。因此,可以通过忽略来减少陀螺仪速率的有效积分时间,如图3所示实验中所做的那样。图4所示为来自真实车载测试的陀螺仪速率样本。在隧道中行驶大约180秒,则需要180秒的速率积分时间。如果不使用LPF过程,则180秒内累积的误差可能高达4°,该值太大,导致无法正确确定车辆在隧道中的位置。采用LPF过程,将阈值设为0.5°/秒,则有效积分时间缩短至84秒,减幅达53%左右。累积误差降至约0.5°,如图5所示。设置LPF阈值时,可以根据具体应用所需要的精度来定。
Figure 4
图4. 未经过滤的车载陀螺仪速率样本。(注:角度误差未按比例绘制。)
Figure 5
图5. 使用LPF后的车载陀螺仪速率样本。(注:角度误差未按比例绘制。)

结论

如今的数字陀螺仪具有出色的规格特性,因此,其性能的提升余地有限。在车载DR导航系统以及要求长积分时间的其他应用中,通过设置LPF阈值来缩短积分时间是一种简单但有效的精度提升方法。
ADXRS810高性能、低成本数字陀螺仪采用ADI公司的新型MEMS澳门美高梅娱乐城,是车载DR导航应用的上佳选择。该陀螺仪采用超小型封装,具有低失调、低噪声和高速率灵敏度的特点。采用芯片集成温度补偿澳门美高梅娱乐城,无需使用外部温度传感器,同时简化了温度补偿算法。其超高的抗冲击和抗振动能力对汽车应用具有十分重要的意义。

(责任编辑:ioter)

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