摘 要： 針對(duì)目前常用組合導(dǎo)航系統(tǒng)由于體積大，造價(jià)昂貴，無(wú)法進(jìn)行廣泛推廣的情況，設(shè)計(jì)基于MEMS的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)GPS、電子羅盤(pán)EC相融合的微小型組合導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)以NiosⅡ處理器和Altera公司提供的IP核為基礎(chǔ)，建立基于SoPC系統(tǒng)的組合導(dǎo)航硬件平臺(tái)，同時(shí)，采用松組合導(dǎo)航信息融合算法，完成微小型組合導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)算及軟件設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果有效驗(yàn)證了該文算法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞： 組合導(dǎo)航； SoPC； 信息融合； 微小型慣性測(cè)量單元

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）10?0104?05

Design of micro integrated navigation system based on SoPC

WANG Xiaoying

（Software and Information Engineering Institute， Beihai College of Beihang University， Beihai 536000， China）

Abstract： Since the commonly?used integrated navigation system has large volume and high cost， and is unable to be widely popularized， the micro integrated navigation system was designed， which combines MEMS?based strapdown inertial navigation system with global positioning system （GPS） and electronic compass （EC）. On the basis of Nios Ⅱ processor and IP core made by Altera Corporation， the integrated navigation hardware platform based on SoPC system was established. The loosely?integrated navigation information fusion algorithm is used to accomplish the operation and software design of the micro integrated navigation system. The feasibility and effectiveness of the algorithm were effectively verified by test results.

Keywords： integrated navigation； SoPC； information fusion； micro inertial measurement unit

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在航空、航天、航海以及各類探測(cè)器上導(dǎo)航設(shè)備是必不可少的重要設(shè)備，其中以捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等最為突出。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種以牛頓慣性理論為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)敏感運(yùn)載體的及時(shí)加速度及姿態(tài)變化，輸出載體的位置信息、速度信息、加速度信息以及載體的航向角、俯仰角、橫滾角等姿態(tài)信息。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航是一種不依賴外部信息的自主導(dǎo)航，其導(dǎo)航可靠性高，但其定位誤差隨著時(shí)間的增加而不斷積累，且系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)相對(duì)昂貴，因而在民用方面得不到有效推廣。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是一種以空間衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。由于GPS具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而GPS的可靠性難以保證，市區(qū)內(nèi)的高大建筑、橋梁等及運(yùn)載體的高速運(yùn)動(dòng)都會(huì)影響GPS的定位精度。近年來(lái)出現(xiàn)的低成本慣性器件MEMS的出現(xiàn)，采用MEMS組成的捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)正逐步應(yīng)用于民用領(lǐng)域。但由于MEMS相對(duì)精度較低，且捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差隨時(shí)間不斷積累，因此，基于MEMS的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)其短期穩(wěn)定性好，而隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的不斷增加，其穩(wěn)定性將逐步變差。

電子羅盤(pán)（Electronic Compass，EC），也稱數(shù)字羅盤(pán)，其利用地磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量載體相對(duì)于真北方向的偏角，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)載體快速指北的功能。EC具有航向精度較高，但也存在容易受外界環(huán)境的干擾。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以智能小車為運(yùn)載體，采用可編程片上系統(tǒng)SoPC技術(shù)，利用Altera公司的FPGA將SINS/GPS/EC有機(jī)組合，充分發(fā)揮各類導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的缺陷，即充分利用GPS具有的精度穩(wěn)定性修正SINS隨時(shí)間不斷積累的誤差；利用SINS的短期穩(wěn)定性彌補(bǔ)GPS接收機(jī)在干擾或遮擋時(shí)暫時(shí)丟失信號(hào)的缺點(diǎn)；利用EC的快速指北特性對(duì)陀螺漂移進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)以上三種子系統(tǒng)構(gòu)成的微小型組合導(dǎo)航系統(tǒng)，有效地解決了各子系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載體如智能小車的快速自主式導(dǎo)航。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SoPC技術(shù)作為一種新興嵌入式開(kāi)發(fā)的片上系統(tǒng)可編程技術(shù)，其主要采用FPGA芯片，并同時(shí)集成了處理器、存儲(chǔ)器、I/O口等模塊集成，以完成系統(tǒng)的主要邏輯功能運(yùn)算。系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)方便、靈活等特點(diǎn)，用戶可進(jìn)行剪裁、擴(kuò)充及軟硬件的升級(jí)等操作。同時(shí)，SoPC具有豐富的軟件資源及出色的人機(jī)交互能力，且FPGA芯片具有快速硬件邏輯特性，可有效實(shí)現(xiàn)軟件與硬件之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，因此本文選擇采用基于SoPC技術(shù)對(duì)微小型組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

SINS，GPS和地磁三種不同的導(dǎo)航模式，均具有不同的優(yōu)勢(shì)及缺陷，采用數(shù)據(jù)融合計(jì)算，充分發(fā)揮各導(dǎo)航模式的優(yōu)勢(shì)，克服各自的缺陷，最終實(shí)現(xiàn)基于智能小車的自主微小型組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的核心微處理器選用了CycloneⅢ系列芯片EP3C40Q240，其具有豐富的I/O口資源及片上資源，因而可構(gòu)建一套高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)。各模塊的電源和模塊間信號(hào)的傳遞的任務(wù)由系統(tǒng)底板提供。在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，由于處理器既要負(fù)責(zé)大量的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸，又要完成復(fù)雜的捷聯(lián)解算、數(shù)據(jù)融合等運(yùn)算，采用單個(gè)處理器較難完成如此繁雜的任務(wù)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性難以得到保證。因此有必要構(gòu)建雙NiosⅡ系統(tǒng)。

如圖1所示，采用NiosⅡ處理器和Altera公司提供的IP核構(gòu)建SoPC系統(tǒng)。CPU1負(fù)責(zé)與FPGA的外圍設(shè)備通信，通信模塊和自定義外設(shè)用Verilog實(shí)現(xiàn)，采集傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行小計(jì)算量運(yùn)算，輸出結(jié)果；CPU2則只做捷聯(lián)解算和數(shù)據(jù)融合，部分算法通過(guò)自定義指令的方式實(shí)現(xiàn)。雙核系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于雙核的啟動(dòng)和雙核間的通信。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)， CPU1和CPU2的程序映像均存放于EPCS中，CPU1的Bootloader存放到EPCS中，啟動(dòng)代碼由開(kāi)發(fā)環(huán)境自動(dòng)生成；CPU2的Bootloader由CPU1的應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)、CPU2的啟動(dòng)由CPU1來(lái)控制。如圖2所示，在SoPC Builder中CPU1的復(fù)位地址指向EPCS Controller的基地址，異常地址指向RAM；CPU2的復(fù)位地址和異常地址都指向RAM。

圖10 磁北測(cè)量原理

如圖10所示，航向角[ψ]值為[ψ=arctanyx]。當(dāng)采用多點(diǎn)測(cè)量法對(duì)載體進(jìn)行測(cè)量，即將載體在水平面上旋轉(zhuǎn)一周，由于載體始終以原點(diǎn)為圓心進(jìn)行規(guī)制圓周運(yùn)動(dòng)，因而對(duì)兩個(gè)測(cè)量軸的矢量和始終恒定。而在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于存在地磁場(chǎng)等外部干擾，測(cè)量信息值繪制成軌跡則是一個(gè)橢圓，且橢圓的圓心并不位于原點(diǎn)。因此，在采用地磁測(cè)量前需采用數(shù)學(xué)方法對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)對(duì)橢圓的拉伸、平移等變換將橢圓恢復(fù)成以原點(diǎn)為圓心的規(guī)則圓。

當(dāng)載體不是處于水平面時(shí)，應(yīng)用下面公式求得航向與地磁北的夾角：

最后得到的航向角為載體與地磁北的夾角，為了求得載體與真北的夾角，需要對(duì)所求得的航向角進(jìn)行補(bǔ)償，即加上或者減去地磁北與真北的夾角。

3.4 組合導(dǎo)航

系統(tǒng)選擇聯(lián)邦卡爾曼濾波器結(jié)果進(jìn)行SINS/GPS/EC的信息融合，綜合考慮系統(tǒng)的定位精度、容錯(cuò)性能以及局部濾波器與主濾波器融合的算法的實(shí)現(xiàn)情況，選擇[βf=0]，且設(shè)置系統(tǒng)無(wú)重置，及主濾波器狀態(tài)方程無(wú)信息分配，主濾波器不進(jìn)行濾波處理，僅僅完成子系統(tǒng)的綜合信息處理。

由于SINS系統(tǒng)自主性能強(qiáng)，輸出信息全面等優(yōu)點(diǎn)，因此，選擇SINS作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的主參考系統(tǒng)，系統(tǒng)融合結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 組合導(dǎo)航信息融合算法原理圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以小車為驗(yàn)證載體，設(shè)定其進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度為2 m/s，航跡起始位置為緯度為40.01°，經(jīng)度為116.20°，利用SINS，GPS和EC測(cè)量載體的姿態(tài)及速度，各系統(tǒng)的采樣頻率分別為10 Hz，1 Hz及0.1 Hz，最終以輸出載體的位置信息對(duì)組合導(dǎo)航效果進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如圖12～圖14所示。

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，采用MEMS的捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)即發(fā)散，而采用SINS/EC系統(tǒng)，在大約20 min內(nèi)，位置誤差可以控制在40 m左右，而采用SINS/GPS/EC進(jìn)行組合導(dǎo)航的小車位置誤差一直可以保持在10 m以內(nèi)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，誤差偶爾會(huì)增大一些，約為5～15 m，這與GPS信號(hào)誤差有較大的關(guān)系。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以NiosⅡ處理器和Altera公司提供的IP核為基礎(chǔ)，結(jié)合基于MEMS的SINS，GPS，EC模塊構(gòu)建基于SoPC系統(tǒng)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，采用松組合導(dǎo)航信息融合算法，完成智能小車的微小型組合導(dǎo)航系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)搭載本文微小型組合導(dǎo)航的智能小車進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性和有效性。

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