ADXRS610/ADXL345在车载组合导航设备中的应用
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发表于 6/10/2012 11:04:01 AM
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1.概述
车载组合导航系统出现于20世纪90年代，其将GPS与其他导航技术相结合，利用彼此之间的互补性达到高精度、高可靠性、低成本的目的。目前常见的车载组合导航方案主要有：
（1）GPS/MM（Map Match，地图匹配）组合导航。
（2）GPS/GLONASS（Global Orbiting Navigation Satellite System，全球轨道卫星导航系统）组合导航。
（3）GPS/INS（Inertial Navigation System，惯性导航系统）组合导航。
（4）GPS/DR（航位推算Dead Reckoning）组合导航。
1.2.2.1GPS导航系统
2.GPS导航原理
GPS（Global Positioning System全球卫星定位系统）的主体部分由27颗（4颗*6轨道，外加3颗备用卫星）地球同步卫星组成，这些卫星与地面支撑系统组成网络，以向全球广播自己的位置信息。用户实时接收卫星发出的星历，可以解算出用户当前的位置、速度和时间等定位信息。
优点：结构简单，体积小，成本低，误差不随时间发散。
缺点：当GPS信号受到干扰或缺失时，就会出现定位误差较大或者不能定位的情况。
3. DR导航方法
DR导航法通过测量车辆的角速度和位置信息进行推算得到当前系统相对于初始点的航向和位置从而实现定位，是一种常用的自主式车辆定位技术。优点是成本低，在短时间内能够保持较高的精度，且有效性不受外界因素影响。缺点是只能确定相对位置且误差会随推算过程而累加。
4. GPS/DR组合导航系统
为了弥补各自的不足，GPS/DR组合导航将基于角速度传感器和里程计的航位推算与GPS相结合，利用微处理器将各个传感器的信息有机的融合在一起，利用最优估计理论与方法进行多种导航信息的综合处理，计算出精确的位置信息。既可以弥补GPS信息在短期内因受高楼、树木阻挡而无法正常定位的缺陷，又可以避免DR信息因传感器的漂移和噪声而产生的误差积累，从而组成实用的车辆
导航系统。由于GPS/DR组合导航系统的性价比很高，因而在民用低成本车载组合导航中被广泛采用。
5.导航系统框图
导航系统的硬件框图如下图所示：
6.GPS模块的选型
目前市场上主流GPS模块单点定位精度可达10米，数据更新频率推荐值可达1-2Hz，封装小巧便于集成，如下图所示是Trimble公司生产的GPS模块及天线。由于GPS定位误差不随时间积累，所以可以获得很好的定位效果。
下表中介绍了模块更新频率为1Hz，即每1秒钟模块将通过串口发送一组导航电文，表中列出了静态精度，可见在差分情况24小时水平位置精度可达4米，高度精度可达到5米。表中还给出了启动时间，在信号强度较高时冷启动需要38秒，而热启动仅需2秒左右。
7.惯性传感器的选型
（1） ADXRS610的性能特点
ADXR610是基于“音叉陀螺仪”（tuning fork gyro）的原理，采用表面微机械加工工艺和Bi－CMOS半导体工艺而制成的功能完善、价格低廉的角速度传感器。其内部包含两个角速度传感器、共鸣环、信号调理器等元件及电路，真正实现了角速度陀螺仪的单片集成化。其输出电压与偏航角速度成正比，电压的极性则代表转动方向（顺时针转动或逆时针转动）。
测量偏航角速度（以下简称为角速度）的范围是±300rad/s，灵敏度为5mV/rad/s，零位输出电压为2.50V，非线性误差为±0.1%F.S.，稳定度为±0.03 rad /s，－3dB带宽为40Hz，固有频率为14kHz，角速度噪声密度为0.2 rad /s/ 。通过外部电阻和电容还可分别设定测量角速度的范围、带宽及零位输出电压。
内部包含电压输出式温度传感器、＋2.5V基准电压源和电荷泵式DC／DC电源变换器，并具有自检功能。芯片内部的温度传感器不仅能测量环境温度，还可用来对角速度传感器的输出电压进行温度补偿，以便构成精密角速度检测系统。
抗振动、抗冲击能力强、超小型、超轻薄化。其外形尺寸仅为7mm×7mm×3mm，质量小于1g，很容易固定在转动物体上。 采用＋5V电源供电，电源电压允许范围＋4.75V～＋5.25V，电源电流的典型值为5mA，工作温度范围－40℃～＋85℃。
（2）ADXL345性能特点
ADXL345 是美国模拟器件公司于2008 年推出的采用MEMS 技术具有SPI 和I2C 数字输出功能的三轴加速度计，具有小巧轻薄、超低功耗、可变量程、高分辨率等特点：它只有3 mm×5 mm×1 mm 的外形尺寸，面大小相当于小拇指指甲盖的1/3；在典型电压VS=2.5 V 时功耗电流约为25～130 μA，比先期采用模拟输出的产品ADXL330 功耗典型值低了约70～175 μA；最大量程可达±16 g，另可选择±2、±4、±8 g 量程，可采用固定的4 mg/LSB 分辨率模式，该分辨率可测得0.25°的倾角变化。ADXL345 提供一些特殊的运动侦测功能，可侦测出物体是否处于运动状态，并能敏感出某一轴向加速度是否超过了用户自定义门限，可侦测物体是否正在跌落。此外，还集成了一个32 级FIFO 缓存器，用来缓存数据以 减轻处理器的负担。ADXL345 可在倾斜敏感应用中测量静态重力加速度， 也可在运动甚至振动环境中测量动态加速度，非常适合于移动设备应用，可望在手机、游戏和定位设备、微小型导航设备、硬盘保护、运动健身器材、数码照相机等产品中得到广泛应用。
