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(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)中的陀螺儀可以長期運(yùn)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(yùn)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?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(shí)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(shí)驗(yàn)中所做的那樣。圖 4 所示為來自真實(shí)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(diǎn)。采用芯片集成溫度補(bǔ)償技術(shù)，無需使用外部溫度傳感器，同時簡化了溫度補(bǔ)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。