缩短积分时间提高航位推算导航系统的精度

作者：Ben Wang

汽车航位推算 （DR） 导航系统使用陀螺仪（陀螺仪）来估计车辆的瞬时航向。这些信息与行驶距离相结合，使导航系统能够正确确定车辆的位置，即使在拥挤的市区或隧道中卫星信号被阻挡时也是如此。在DR导航中使用陀螺仪的一个主要挑战是卫星信号可能会长时间丢失，导致累积的角度误差变得太大而无法准确定位车辆。本文提供了一种解决此问题的简单方法。

灾难恢复导航的工作原理

DR导航的基本操作如图1所示。陀螺仪以度/秒为单位测量车辆的旋转速率。代表车辆瞬时航向的角度是通过对随时间变化的旋转速率进行积分来计算的。结合航向和行驶距离可以确定车辆的位置，如红线所示。

图1.灾难恢复导航的工作原理。

使用数字陀螺仪，积分速率可以表示为速率样本的总和乘以采样间隔：



其中ri 是陀螺仪感应的速率，n 是样本数，τ 是采样间隔。

随时间累积的角度误差可以表示为：



其中ei是每个样本的速率误差，n 是样本数，τ 是采样间隔。

根据公式，随着所需积分时间的延长，累积误差也越大，如图2所示。这些速率样本使用带有高性能角速率传感器ADXRS810的评估板进行测量，模拟DR导航系统，记录了3300个总速率样本。蓝线显示陀螺仪速率样本;红线显示累积的角度误差。很明显，累积的角度误差随着时间的推移而增加。

图2.使用ADXRS810评估板测量的速率。（注意：角度误差不是按比例计算的。

使用低通滤波器 （LPF）缩短积分时间

减少角度误差的传统方法侧重于最小化en，但今天的数字陀螺仪已经具有非常低的速率误差规格。例如，ADXRS810具有80 LSB/°/sec的灵敏度、±2°/sec的偏移和0.03°/sec/g的抗冲击性，改进空间有限。此外，该算法补偿en很复杂。例如，与电子稳定控制（ESC）等其他应用相比，DR导航系统中的陀螺仪可以长时间运行，例如当车辆通过长隧道时GPS信号丢失时。在DR导航应用中，运行时间越长，累积的角度误差越大。

如果积分时间可以减少，它将显着减少累积的角度误差。当陀螺仪不旋转时，由于陀螺仪噪声，速率输出很小，但非零。ADXRS810实现了极低的陀螺仪噪声和极高的灵敏度，只需设置适当的阈值即可轻松滤除数字域中的噪声。这个过程等效于低通滤波，因为陀螺仪速率噪声与旋转引起的速率输出相比处于高频。

图3显示了图2的LPF版本，其中所有小于1°/s的速率样本都归零，因此在进行速率积分时被忽略。剩余的积分时间，被认为是有效的积分时间，仅占总积分时间的16%左右。这大大减少了集成时间。因此，累积的角度误差也显着降低，如红线所示。

图3.使用ADXRS810评估板和数字LPF测量速率。（注意：角度误差不是按比例计算的。

在实际应用中，车辆方向盘通常定位为零度。因此，陀螺仪速率的有效积分时间可以通过忽略它来减少，就像在图3中描述的实验中所做的那样。图4显示了实际车载测试的陀螺仪速率样本。通过隧道大约 180 秒，需要 180 秒才能进行速率积分。如果没有LPF过程，超过180秒的累积误差可能高达4°，这太大了，无法正确确定车辆在隧道中的位置。通过实施阈值为0.5°/秒的LPF工艺，有效积分时间缩短至仅84秒，减少了约53%。累积误差降至约0.5°，如图5所示。可以设置 LPF 阈值以达到特定应用所需的精度。

图4.未经过滤的车载陀螺仪速率样本。（注意：角度误差不是按比例计算的。


图5.LPF后的车载陀螺仪速率样本。（注意：角度误差不是按比例计算的。

结论

当今的数字陀螺仪具有出色的规格，因此提高性能的空间非常有限。在车辆DR导航系统和其他需要较长积分时间的应用中，设置LPF阈值以减少积分时间是提高精度的简单但有效的方法。

ADXRS810高性能、低成本数字陀螺仪采用ADI公司创新的MEMS技术，是车辆DR导航应用的理想选择。该器件采用非常小的封装，提供低失调、低噪声和高速率灵敏度。片内温度补偿，无需外部温度传感器，简化了温度补偿算法。其对冲击和振动的高抗扰度在汽车应用中非常重要。