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基于SOPC的微小型组合导航计算机的设计研究

作　者: 孟祥臣
导　师: 钱华明
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 微小型组合导航系统 导航计算机 片上可编程系统 双NiosⅡ处理器 坐标旋转数字计算机
分类号: TN967.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


组合导航系统能充分发挥各子导航系统的优点,并弥补其不足,成为导航技术发展的方向之一。目前,随着MEMS技术的发展,以MEMS惯性元件为核心,辅以GPS和EC的微小型组合导航系统又成为当下的研究热点。其中,导航计算机是组合导航系统的核心设备之一,它始终朝着小体积、低功耗、高性能的方向发展,对构建高精度、高可靠性的组合导航系统有重大意义。因此,本文以车载组合导航系统的应用为背景,依据导航计算机的发展趋势,设计了基于SOPC的微小型组合导航计算机系统。首先,分析了微捷联惯导系统、GPS和EC单独导航的优点和不足,研究了捷联惯导、联邦卡尔曼滤波器等基本理论,给出了MSINS/GPS/EC组合导航系统的组合方式和滤波方案,阐述了Altera公司SOPC的工作原理、技术手段和操作流程,给出了基于SOPC的微小型组合导航计算机的软硬件总体框架。其次,依据微小型组合导航系统对导航计算机的需求,设计了基于Cyclone III系列芯片EP3C40Q240最小系统板的电源电路、配置电路和外部RAM电路,满足了系统对导航计算机接口丰富、体积小、性能高的要求。完成了MIMU、GPS和EC单元电路的设计和器件选型,其电路都采用模块化设计,通过接口板进行连接,同时为提高系统的稳定性,在接口板上设计了两套独立的电源。充分研究了双NiosⅡ处理器的启动方法和通信方式,并进行了验证和对比,成功的实现了双NiosⅡ处理器系统,构建了片上分布式导航计算机,双处理器分工协作,提高了系统的控制能力和数据处理能力。为提高导航算法中三角函数的执行速度,研究了Cordic算法的基本原理,实现了基于FPGA的32位流水线结构的Cordic算法,将求解三角函数的效率提高了200倍,缩短了导航算法的执行周期,提高了导航计算机的实时性。最后,在uc/OS-Ⅱ嵌入式操作系统提供的任务规划和管理平台上,依据导航算法的基本原理,实现了各子传感器数据采集、多点测量求解航向角、GPS坐标转换和捷联解算等导航算法,给出了各子导航系统的误差模型和联邦滤波器中子滤波器的系统方程。本文所设计的微小型组合导航计算机达到了预定的目标,并已经成功的应用于“自主导航式智能小车”中,具有一定的工程意义,为导航计算机的进一步开发和研究打下了基础。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-15
  1.1 课题的研究背景和意义  10-11
  1.2 导航计算机发展现状  11-13
  1.3 SOPC技术概述  13-14
  1.4 论文的主要内容及章节安排  14-15
第2章 导航计算机系统相关技术与结构设计  15-27
  2.1 捷联惯导系统的基本原理  15-20
    2.1.1 惯导常用坐标系  15-16
    2.1.2 坐标系间的转换  16-18
    2.1.3 即时修正算法  18-20
    2.1.4 等效旋转矢量算法  20
  2.2 组合导航系统的滤波算法  20-23
    2.2.1 卡尔曼滤波理论  21
    2.2.2 联邦卡尔曼滤波原理  21-23
  2.3 Altera公司SOPC技术  23-25
    2.3.1 Nios Ⅱ嵌入式处理器  24
    2.3.2 Avalon总线规范  24-25
    2.3.3 SOPC开发流程  25
  2.4 导航计算机总体结构  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章 导航计算机硬件设计  27-40
  3.1 硬件总体方案  27
  3.2 Cyclone Ⅲ对组合导航系统的支持  27-30
    3.2.1 系统对导航计算机的要求  28-29
    3.2.2 EP3C40器件简介  29-30
  3.3 Cyclone Ⅲ最小系统板设计  30-36
    3.3.1 电源电路  30-33
    3.3.2 配置电路  33-34
    3.3.3 外部存储器电路  34-36
  3.4 导航单元电路设计与选型  36-38
    3.4.1 MIMU电路的设计  36-37
    3.4.2 EC单元简介  37
    3.4.3 GPS模块简介  37-38
  3.5 接口板电源电路设计  38-39
  3.6 本章小结  39-40
第4章 导航计算机性能优化设计  40-59
  4.1 SOPC性能优化的方式  40-41
  4.2 双Nios Ⅱ处理器的构建  41-53
    4.2.1 双Nios Ⅱ启动的原理  42-44
    4.2.2 双Nios Ⅱ通信的方式  44-46
    4.2.3 SOPC Builder实现  46-47
    4.2.4 启动方案的实现  47-50
    4.2.5 通信方案的实现  50-52
    4.2.6 双Nios Ⅱ处理器在导航计算机中的应用  52-53
  4.3 基于流水线结构的32位Cordic算法的实现  53-58
    4.3.1 Cordic算法基本原理  53-54
    4.3.2 Cordic内核的FPGA实现  54-56
    4.3.3 Cordic算法的仿真  56-57
    4.3.4 自定义用户指令  57-58
  4.4 本章小结  58-59
第5章 导航计算机软件设计  59-75
  5.1 基于SOPC的导航计算机软件构架  59-61
    5.1.1 us/OS-Ⅱ嵌入式操作系统  59
    5.1.2 导航计算机软件总体方案设计  59-61
  5.2 捷联惯导系统算法设计与实现  61-62
  5.3 EC导航单元的设计与实现  62-65
    5.3.1 EC接口通讯协议  62-63
    5.3.2 测北原理  63-65
  5.4 GPS的数据采集与处理  65-67
    5.4.1 GPS导航电文格式  65-66
    5.4.2 坐标转换  66-67
  5.5 联邦卡尔曼滤波器的设计  67-72
    5.5.1 系统滤波方案  67-68
    5.5.2 MSINS/GPS系统误差模型的建立  68-69
    5.5.3 MSINS/GPS的卡尔曼滤波器设计  69-71
    5.5.4 MSINS/EC的卡尔曼滤波器设计  71-72
  5.6 基于SOPC的微小型组合导航计算机的应用  72-74
  5.7 本章小结  74-75
结论  75-77
参考文献  77-81
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  81-82
致谢  82

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线电导航 > 各种体制的导航系统 > 复合导航系统
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