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基于FPGA的Kalman滤波器实现研究

作　者: 赵大建
导　师: 赵伟
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: Kalman滤波 组合导航 FPGA IP核 AccelDSP
分类号: TN713
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


组合导航系统以其优异的性能已成功应用于航空、航天、航海等各个领域，其组合方式大部分采用Kalman滤波算法。随着对导航系统性能要求的不断提高，目前Kalman滤波器的实现方式在某些环境下不能同时满足实时性高、精度高、体积小、功耗低等要求，因此论文采用FPGA技术实现组合导航中的Kalman滤波运算，进行了相应的研究和实现验证。论文研究了Kalman滤波的工程实现及实时性，基于FPGA实现了定点数与浮点数的基本数学运算，论证FPGA实现数字信号处理的可行性，提出了利用FPGA实现Kalman滤波的研究方案。论文对采用FPGA进行Kalman滤波的方案进行了开发实现研究。分别采用IP核和AccelDSP两种方式研究了二阶Kalman滤波器的实现。利用IP核作为主要计算元件研究了矩阵相乘、状态机的交互和资源分时复用等关键技术，实现了将滤波解算结果通过串行口输出至PC机，并与MATLAB及DSP的解算结果分别在精度和实时性方面进行了对比，论证了IP核实现Kalman器可以同时满足精度和实时性要求；通过一系列的性能优化过程，利用AccelDSP实现了Kalman滤波，得到较理想的性能。分析了两种方式实现Kalman滤波器的特点。综合利用IP核方式和AccelDSP方式研究和实现了基于FPGA的SINS/GPS组合导航系统中的8阶Kalman滤波器，并与MATLAB仿真结果相对比，在保证运算精度的同时显著提高了Kalman解算的实时性。论文的研究和实现表明，采用FPGA技术实现Kalman滤波解算，既可以保证解算的精度，又可以提高解算的快速性，是进一步提升组合导航系统的性能的一种可行方案。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-12
第一章 绪论  12-18
  1.1 课题研究背景  12-13
  1.2 国内外研究现状分析  13-16
  1.3 本文研究的目的、意义和主要内容  16-18
第二章 Kalman 滤波理论和 FPGA 实现技术方案研究  18-34
  2.1 引言  18
  2.2 Kalman 滤波理论与算法  18-23
    2.2.1 组合导航技术与 Kalman 滤波  18-19
    2.2.2 Kalman 滤波理论与工程实现算法  19-22
    2.2.3 Kalman 算法实现的实时性分析  22-23
  2.3 FPGA 技术研究  23-31
    2.3.1 定点数基本运算的 FPGA 实现  24-26
    2.3.2 浮点数基本运算的 FPGA 实现  26-31
    2.3.3 定点数与浮点数的相互转换  31
  2.4 基于 FPGA 的 Kalman 滤波方案研究  31-33
  2.5 本章小结  33-34
第三章 基于 IP 核的 Kalman 滤波器实现研究  34-47
  3.1 引言  34
  3.2 IP 核技术  34-35
  3.3 基于 IP 核的二阶 Kalman 滤波器实现研究  35-41
    3.3.1 矩阵相乘的 IP 核实现研究  36-39
    3.3.2 有限状态机的应用  39-40
    3.3.3 资源分时复用  40-41
  3.4 结果导出与性能分析  41-45
    3.4.1 解算结果的导出  41-42
    3.4.2 结果对比及性能分析  42-45
  3.5 本章小结  45-47
第四章 基于 AccelDSP 的 Kalman 滤波器实现研究  47-60
  4.1 引言  47
  4.2 AccelDSP 技术  47-50
  4.3 基于 AccelDSP 的二阶 Kalman 滤波器实现研究  50-56
    4.3.1 MATLAB 程序功能仿真  50-52
    4.3.2 定点模型性能优化  52-56
  4.4 性能对比分析  56-59
  4.5 本章小结  59-60
第五章 SINS/GPS 组合导航解算中 Kalman 滤波器的实现研究  60-70
  5.1 引言  60
  5.2 SINS/GPS 组合导航的数学模型的建立  60-62
  5.3 SINS/GPS 组合导航 Kalman 滤波方案研究  62-67
    5.3.1 Kalman 滤波解算数据预处理方案研究  63-66
    5.3.2 Kalman 滤波数学模型离散化和滤波解算方案研究  66-67
    5.3.3 Kalman 滤波解算组合系统方案研究  67
  5.4 Kalman 滤波结果分析及性能评价  67-69
  5.5 本章小结  69-70
第六章 总结和展望  70-72
  6.1 全文总结  70
  6.2 对后续工作的展望  70-72
参考文献  72-76
致谢  76-77
在学期间的研究成果及学术论文情况  77

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 滤波技术、滤波器
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