基于DSP和CPLD的SINS/GPS组合导航系统设计

论文摘要

随着军用技术和现代工业技术发展,航行器对导航精度提出了越来越高的要求,常用的单一导航系统已不能满足导航要求。将捷联惯性导航系统(SINS)和GPS导航系统组合使用,通过不同的组合方式和数据融合方法实现更为精确的组合导航系统,已成为导航技术发展的趋势。本文设计了基于TMS320VC5509系列DSP和EPM7128系列CPLD的导航计算模块,将系统与外设的数据交换任务交由CPLD逻辑实现,而DSP用于处理算法,提高了数据处理效率。同时针对组合导航系统处理数据量较大的特点,进行了外部存储器扩展并对导航计算模块外围功能电路进行了设计。在分析惯性导航系统和GPS导航系统的相关算法和系统模型的基础上,本文推导出了SINS和GPS组合导航系统的状态方程和观测方程,并给出了实现方法。传统组合导航系统数据融合算法,多采用经典Kalman滤波算法,为了降低模型误差,并从算法的实时性考虑,本系统采用了渐消自适应卡尔曼滤波器。对SuperStar系列GPS接收板和YH—7000型惯性测量单元(IMU)的使用方法进行了研究和调试,对系统进行了初始化、软件编程和调试,初步实现了导航功能。通过跑车试验验证了组合导航系统的性能。文章最后指出后续研究方向为新型滤波算法的设计和高性能嵌入式导航计算机的设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 导航系统概述
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.3.1 研究问题及目标
• 1.3.2 主要工作及章节安排
• 2 组合导航系统设计原理及建模
• 2.1 导航系统坐标系
• 2.1.1 常用坐标系
• 2.1.2 坐标系转换
• 2.2 捷联惯导系统
• 2.2.1 捷联惯导系统原理
• 2.2.2 初始对准
• 2.2.3 姿态矩阵的计算
• 2.2.4 姿态角的计算
• 2.2.5 速度位置计算
• 2.2.6 捷联惯导的力学编排
• 2.3 GPS工作原理
• 2.3.1 GPS的组成及定位原理
• 2.3.2 GPS的定位误差
• 2.4 组合导航系统设计方法
• 2.4.1 SINS/GPS组合方法
• 2.4.2 组合系统的数学模型
• 2.5 组合导航系统滤波算法
• 2.5.1 经典kalman滤波算法
• 2.5.2 渐消自适应kalman滤波算法
• 2.6 本章小结
• 3 组合导航系统硬件设计
• 3.1 硬件电路总体设计思路
• 3.2 导航计算模块设计
• 3.2.1 主控制器设计
• 3.2.2 CPLD的应用
• 3.2.3 通信电路设计
• 3.2.4 存储器扩展电路设计
• 3.2.5 电源模块设计
• 3.2.6 时钟电路设计
• 3.2.7 JTAG接口电路设计
• 2C总线电路设计'>3.2.8 I²C总线电路设计
• 3.3 IMU与GPS接收板
• 3.3.1 IMU设置及使用
• 3.3.2 GPS设置及使用
• 3.4 本章小结
• 4 组合导航系统软件设计
• 4.1 软件总体设计
• 4.2 DSP软件设计
• 4.2.1 DSP处理器初始化
• 4.2.2 定时器中断服务程序
• 4.2.3 串口中断子程序
• 4.3 CPLD软件设计
• 4.3.1 QuartusⅡ软件及VHDL语言
• 4.3.2 CPLD的逻辑实现
• 4.4 捷联惯导系统软件设计
• 4.5 Kalman滤波器软件设计
• 4.6 本章小结
• 5 系统调试与实验结果分析
• 5.1 系统调试
• 5.1.1 导航计算模块硬件调试
• 5.1.2 导航计算模块软件调试
• 5.2 实验结果分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 后续工作与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录