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相对位姿测量解算的FPGA实现

作　者: 金虎
导　师: 唐朝伟；王韬
学　校: 重庆大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 相对位姿解算 FPGA CORDIC IP核 EDK
分类号: TN791
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 32次
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内容摘要

位姿测量是现代控制、导航、跟踪等许多领域研究的一个重要课题,要求位姿测量系统具有精度高、实时性强、安装方便等特点。计算机视觉位姿测量系统以其众多优点在航天器近距离对接、大型工件现场安装等过程中的应用已经受到了广泛地重视。但已有的基于计算机视觉的位姿测量系统把更多的焦点放在了测量部分,对于解算部分没有过多的提及和研究,多采用微机或是DSP进行最后的数据处理计算。因此深入研究优化解算部分,对整个位姿测量系统速度提升和向芯片转化有重要的意义。在本文中,分析了相对位姿测量的基本原理,包括单目视觉位姿测量,空间坐标系的转换等。针对位姿测量解算部分,提出了一种优化的VLSI实现方案。将相对位姿测量解算电路映射为5大基本模块电路:矢量归一化、矢量叉积、矩阵方程组求解、相对姿态角计算和相对位置计算。这些电路均基于CORDIC算法设计,只有简单的移位相加运算,非常适合于在FPGA芯片上实现。使用ISE软件和ModelSim软件得到的仿真结果验证了该方案是可行的。最后,还介绍了如何将设计的ISE工程作为自定义IP核挂到EDK的OPB总线上,实现方案的嵌入式设计。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-7
1 绪论  7-10
  1.1 论文的研究背景及意义  7
  1.2 课题研究现状及发展趋势  7-8
  1.3 论文的主要工作与内容安排  8-10
2 相对位姿测量基本原理  10-17
  2.1 引言  10
  2.2 相对位姿关系定义  10-13
    2.2.1 空间坐标系转换  10-11
    2.2.2 相对位姿关系的定义  11-13
  2.3 相对位姿测量算法  13-16
  2.4 本章小结  16-17
3 CORDIC算法  17-26
  3.1 引言  17
  3.2 CORDIC算法的基本原理  17-20
    3.2.1 工作于旋转模式的CORDIC算法  19
    3.2.2 工作于矢量模式的CORDIC算法  19-20
  3.3 CORDIC算法的典型应用  20-23
    3.3.1 用CORDIC算法计算三角函数值  20-21
    3.3.2 用CORDIC算法计算反三角函数值  21
    3.3.3 用CORDIC算法实现乘法与除法  21-23
  3.4 CORDIC算法的结构  23-25
  3.5 CORDIC算法精度分析  25
  3.6 本章小结  25-26
4 位姿解算的FPGA实现  26-42
  4.1 引言  26
  4.2 ISE开发软件介绍  26-30
  4.3 位姿关系解算IP核设计  30-41
    4.3.1 归一化处理  30-31
    4.3.2 矢量叉积运算  31-32
    4.3.3 旋转矩阵求解  32-37
    4.3.4 姿态角求解  37-38
    4.3.5 相对位置求解  38-39
    4.3.6 整体联调  39
    4.3.7 仿真结果及其分析  39-41
  4.4 本章小结  41-42
5 基于EDK的IP核设计  42-55
  5.1 引言  42-43
  5.2 EDK 开发基本流程  43-45
  5.3 基于EDK的IP核设计流程  45-46
    5.3.1 构建用户逻辑  45
    5.3.2 编写功能文件  45
    5.3.3 导入IP核  45-46
  5.4 相对位姿解算IP核设计  46-54
    5.4.1 硬件部分设计  46-52
    5.4.2 软件部分设计  52-54
  5.5 本章小结  54-55
6 全文总结与展望  55-57
  6.1 全文总结  55
  6.2 下一步工作  55-57
致谢  57-58
参考文献  58-61
附录  61

相对位姿测量解算的FPGA实现

内容摘要

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