半球谐振陀螺滤波技术研究及其FPGA实现

论文摘要

半球谐振陀螺作为一种新型的高精度陀螺,与目前的激光陀螺、压电陀螺、机械陀螺、光纤陀螺等相比具有独特的优点,在导航等领域已经引起了人们的广泛重视。本文以半球谐振陀螺在星载惯性测量系统中的应用为背景,结合大量的实验,重点讨论了半球谐振陀螺的滤波技术以及实现方法。首先,介绍了半球谐振陀螺信息采集系统的工作原理,讨论了几种半球谐振陀螺的常见误差来源以及减小这些误差所带来的不利影响的方法。阐述了Allan方差分析法在半球谐振陀螺随机误差分析方面的应用,明确了半球谐振陀螺的Allan方差各项的物理意义。然后,对半球谐振陀螺的实测随机漂移数据的特性进行分析并设计了IIR滤波器对漂移信号进行了处理。利用时间序列的分析方法建立了半球谐振陀螺随机误差的ARMA模型,并验证了模型的适用性;在得到合适的模型后,通过Kalman滤波的方法有效地抑制了陀螺的随机漂移。进一步又采用了前向线性预测滤波的方法,同样得到了比较好的滤波效果。同时,用几种滤波算法处理之后的陀螺漂移数据进行了Allan方差计算和拟合,结果表明,运用合理的滤波方法能够有效降低陀螺的随机误差。最后,设计了半球谐振陀螺的正弦振动实验和动态寻北实验,并对实验结果进行了滤波处理,分析和验证了滤波算法的有效性和通用性。结合DSP Builder和MATLAB/Simulink软件,搭建了20阶FLP滤波器系统,并进行了VHDL代码的生成和仿真,给出了FLP滤波算法的FPGA实现方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 半球谐振陀螺技术概述
• 1.2.1 半球谐振陀螺简介
• 1.2.2 半球谐振陀螺与其它陀螺的比较
• 1.3 国内外半球谐振陀螺技术的发展状况
• 1.4 陀螺的随机误差和信号处理技术的研究现状
• 1.5 FPGA 在数字信号处理方面的应用
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 半球谐振陀螺误差源分析
• 2.1 引言
• 2.2 半球谐振陀螺信号检测方法和误差源介绍
• 2.2.1 半球谐振陀螺的信号检测原理
• 2.2.2 振动信号的拾取
• 2.2.3 半球谐振陀螺的几种误差来源
• 2.3 半球谐振陀螺随机误差的Allan 方差分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 半球谐振陀螺的滤波技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 半球谐振陀螺随机漂移信号的采集与分析
• 3.3 IIR 数字滤波器在半球谐振陀螺输出信号处理方面的应用
• 3.4 半球谐振陀螺的随机误差模型
• 3.4.1 半球谐振陀螺随机漂移数据的预处理
• 3.4.2 半球谐振陀螺的随机误差模型的建立
• 3.5 Kalman 滤波在半球谐振陀螺信号处理方面的应用
• 3.5.1 线性系统的Kalman 滤波
• 3.5.2 陀螺随机漂移的Kalman 滤波
• 3.6 FLP 滤波在半球谐振陀螺信号处理方面的应用
• 3.6.1 FLP 滤波的原理
• 3.6.2 陀螺随机漂移的FLP 滤波
• 3.7 滤波前后半球谐振陀螺的Allan 方差分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 半球谐振陀螺的实验研究及其滤波应用
• 4.1 引言
• 4.2 半球谐振陀螺一元线性回归模型的标定实验
• 4.3 半球谐振陀螺的正弦振动实验
• 4.3.1 正弦振动实验的结果分析
• 4.3.2 半球谐振陀螺的正弦振动工作环境下的Kalman 滤波
• 4.3.3 半球谐振陀螺的正弦振动工作环境下的FLP 滤波
• 4.4 半球谐振陀螺的寻北实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 前向线性预测滤波器的FPGA 实现
• 5.1 引言
• 5.2 硬件描述语言与FPGA 设计工具
• 5.2.1 硬件描述语言
• 5.2.2 FPGA 设计工具
• 5.3 基于DSP Builder 的前向线性预测滤波器的FPGA 实现
• 5.3.1 FLP 滤波器的建模与仿真
• 5.3.2 滤波算法的FPGA 实现与ModelSim 的RTL 级代码验证
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢