基于NiosⅡ的導航計算系統設計

楊 瑞

(內蒙古集寧師范學院，內蒙古 烏蘭察布 012000)

基于NiosⅡ的導航計算系統設計

楊 瑞

(內蒙古集寧師范學院，內蒙古 烏蘭察布 012000)

使用陀螺儀的慣性導航系統具有非常高的精度，但是成本非常高昂，無陀螺捷聯慣性導航系統通過對多個加速度計的數值進行解算也可以實現導航的目的，同時成本遠低于使用陀螺儀的慣性導航系統。本文提出了一種基于Nios II 的導航計算系統設計，通過將9個加速度計直接安裝在載體上，然后通過FPGA進行計算，最終實現導航的目的，系統具有準確性高、成本低等優點。

導航；FPGA；MEMS；加速度計

0 引 言

導航是指將物體從一個地方引導到另外一個地方。對于艦船的正常航行而言，導航系統的重要性不言而喻。為了獲取導航信息，需要獲得艦船的實時速度、位置以及姿態等。導航技術經過了幾十年的發展，已經發展成為一種較為成熟的技術。慣性導航是最為重要的導航技術之一，它是根據牛頓的慣性原理，通過使用加速度計或者陀螺儀等來獲得載體的角運動參數和線運動參數，通過給定的初始狀態參數來獲取載體的導航參數。慣性導航系統由于不需要向外輻射能量，因而具有非常高的隱蔽性，在現代艦船導航系統中占據了非常重要的地位。同時由于其不依賴外界信息，因而是一種自主式導航系統[1-2]。

導航計算機系統的發展是隨著計算機技術的不斷進步而不斷發展。最初導航計算機系統受限于電子元器件及相關技術的限制，體積一般都非常龐大，同時性能參數也非常低。進入21世紀以后，計算機技術得到迅速發展，嵌入式系統在艦船信息處理、艦船消防等領域得到了廣泛的應用。目前最為流行的計算機導航系統的設計方案是使用DSP+MCU的方式來構建，其優點在于對于數據的處理能力非常強，但是DSP外圍的電路設計較為復雜[3-4]。

本文在前人研究的基礎上提出了一種基于Nios II的導航計算系統設計方案，充分使用FPGA內部硬件資源，使得大部分功能都能在FPGA內部實現，因而可以極大地降低導航系統的體積和成本，同時也降低了硬件設計的難度。系統主要包括了數據采集模塊和數據解算模塊，設計的實驗樣機可以滿足導航計算的基本要求。

1 工作原理

1.1 基本原理

最初的慣性導航系統中一般都安裝了陀螺儀，并且一般都會使用6個慣性敏感元件來對導航參數進行測量和計算。在最初的慣性導航系統中，陀螺儀主要用來測量載體繞質心轉動的相關數據信息，而加速度計則用來測量載體質心平動的相關信息。研究者通過不斷地研究發現，加速度計在測量載體質心平動信息時，還可以測量出角速度信息，而角速度信息則可以用來提取陀螺儀測量的數據信息，因而陀螺儀可以使用3個加速度計來代替，在此基礎上，有研究者提出了一種使用6個加速度計的導航計算系統方案，這就是無陀螺捷聯慣導系統的理論基礎。

在無陀螺捷聯慣導系統中一般都會使用6個以上的加速度計，這些加速度計所測量的信息包括了載體沿俯仰、橫滾、偏航軸的轉動加速度以及角速度信息，通過對這些信息進行匯總和計算，就可以得到慣性坐標系和艦船坐標系之間的方向余弦矩陣，通過使用計算機或者嵌入式系統對這個余弦矩陣進行求解，就可以得到艦船在地理坐標系中的加速度分量[5]。

參考載體初始對準的結果或在空中由其他信號源提供的初始條件，可以得到地理坐標系相對慣性坐標系的旋轉角速度，然后對其積分就可以得到速度分量，再積分就可以得到艦船當前位置的高度以及經緯度。

1.2 坐標系

根據前述慣性導航系統的工作原理，可以發現，在整個導航過程中，由于其基本原理以牛頓力學為基礎，因而需要選取合適的坐標系。坐標系的選取會直接影響最終慣性導航系統的精度和準確度。本文主要介紹導航坐標系以及載體坐標系的建立。

根據導航系統在實際工作時的需要而選取的一種坐標系稱之為導航坐標系。在無陀螺導航系統中，其力學方程同有陀螺導航系統中完全一致，只是在無陀螺導航系統中需要對角速度進行計算，因而在導航坐標系的選擇上基本同有陀螺導航系統相一致。導航坐標系可以獲取載體相對于地球的地理位置和相對于地理坐標系的方位及水平姿態角。圖1為導航坐標系示意圖。

圖1 導航坐標系Fig.1 The navigation system

圖1中參數的意義如下：

λ為經度，(°)；R為地球半徑，m；α為游動自由方位角，(°)；φ為緯度，(°)。

除了導航坐標系外，還需要確定載體坐標系。由于艦船在航行過程中經常會出現晃動或者偏離，因而必須要使用一個能夠同載體相聯系的坐標系。因而，艦船坐標系就是以艦船的質心作為坐標系的原點，如圖2所示，并且進行如下定義：

方位角H：首向基準線同北向基準線的夾角，這里的首向規定為載體縱軸的軸向在水平面內的投影方向；

縱搖角ψ：水平面和載體縱軸之間的夾角；

橫搖角θ：載體橫軸與水平面之間的夾角。

圖2 載體坐標系Fig.2 Carrier coordinate system

在建立了坐標系的基礎上，本文使用9個加速度計來進行導航信息的計算，圖3為9個加速度計的配置方式。在這個方案中，利用沿坐標軸放置的1，4，7直接測量得到載體的線加速度，利用其余加速度計的測量值可解算出載體的角加速度，以及角速度的乘積項。使用這種方法來進行計算相對簡單。

圖3 加速度計配置Fig.3 The accelerometer allocation

2 系統設計

2.1 系統整體設計

在本文所提出的導航系統設計中使用了9個加速度計傳感器，用于測量各個方向上的加速度或角速度。這些加速度計輸出的是模擬量，因而需要將這些模擬信號轉化后再輸入到FPGA中才能進行解算。而在艦船航行的復雜環境中，導航系統中各加速度計有可能受到各種各樣的信號干擾，因而需要在進行A/D轉換前對信號進行一定的處理，以去除高頻噪聲以及其他噪聲。圖4是基于Nios II的導航計算系統硬件框圖。在加速度計采集到加速度或者角速度信息后，使用低通濾波和減法電路來對電路進行處理，然后使用A/D芯片進行A/D轉換，將這些數據存儲到存儲器中后再輸入到FPGA中，最后由FPGA對這些獲取的加速度及角速度信息根據前述原理進行求解，并且將最終得到的結果進行顯示。

圖4 系統硬件結構框圖Fig.4 The diagram for system hardware structure

2.2 詳細設計

在整個導航計算系統設計中，后續對于數據的處理都基于9個加速度計輸出的測量數據準確的基礎上進行，因而數據采集電路必須要具有一定的精度。在本系統中，使用9個MEMS慣性加速度計。MEMS慣性加速度計具有功耗低、重量輕和體積小的優點，其中，電容式硅微加速度計更是其中的佼佼者。考慮到最終系統的成本問題，本文使用Model 1221型，它是由Silicon Designs公司生產的單軸MEMS加速度計，其量程為±2 g，最小分辨率為10-4g。

MEMS慣性加速度計輸出的是模擬信號，這些模擬信號無法被FPGA所識別，因而需要使用AD轉換芯片將這些信號轉換成數字信號。同時考慮到本系統中需要同時對9個加速度計信號進行轉換，為簡化電路設計，在AD轉換芯片的選擇上選擇多通道AD轉換芯片。AD7656是美國模擬器件公司生產的一款AD轉換芯片，可以同時實現六路模擬信號的轉換，因而在電路設計中使用2片AD7656皆可完成設計要求。AD7656的外圍電路如圖5所示。

圖5 AD7656外圍電路Fig.5 Peripheral circuit of AD7656

在完成基本的外圍數據采集電路設計后，需要對軟件進行設計。System on a programmable chip，即SOPC是一種以FPGA為硬件基礎的特殊嵌入式系統，通過單個芯片的作用實現整個系統的邏輯處理的功能。Nios II處理器是基于SOPC技術的32位RISC處理器軟內核。通過Nios II IDE、Quartus II和SOPC Builder等開發工具可以完成導航系統的開發工作。

SOPC主要由Nios II處理器、標準外設、存儲器接口以及用戶自定義的一些外設等部分組成。SOPC Builder可以在軟件中將這些模塊進行有機組合，從而形成一個整體的系統模塊，并且可以自動生成總線邏輯。

根據微控制器架構進行系統軟核的構建。在SOPC Builder中，設置系統時鐘為50 MHz，這樣就可以完全滿足系統前期的設計需求。選擇標準型Nios Ⅱ/s，然后定制 Nios II微控制器軟核，加入Nios II處理器內核、SDRAM、JTAG UART等模塊，最好配置好鎖相環，這樣就完成了SOPC的基本設計工作。最后可以在Nios II IDE中完成導航信息的計算工作。

2.3 系統測試

在靜態下對9個加速度計進行采樣測試，在一定時間內對9個通道進行連續采樣100次，在數據處理上剔除10個最大值和最小值，以防止出現粗大誤差，然后將剩余的90個數值求平均值和標準差，得到如表1所示的數據。從表1可以看出，數據測試比較穩定，標準差非常小，因而可以看出系統具有較高的精度。

表1 測試結果

改變測試條件，將載體進行移動，觀察到9個加速度計的測量數據有明顯變化。在同一地點，改變測試時間，測量所得到的結果沒有明顯變化。

3 結 語

慣性導航系統對于保證艦船的正常航行非常重要。本文提出一種基于Nios II的導航計算系統設計方案，充分使用FPGA內部硬件資源，極大地降低導航系統的體積和成本，也降低了硬件設計的難度，通過測試發現設計的導航系統可以完成導航信息的計算工作，準確性較高。

[1] 劉冬利,龐海濱,戴耀.北斗衛星導航系統在艦艇上的擴展應用[J].艦船科學技術,2014,36(4):93-96.

LIU Dong-li,PANG Hai-bin,DAI Yao.Study of expanding application of Beidou navigation satellite system to naval ships[J].Ship Science and Technology,2014,36(4):93-96.

[2] 周紅進,鐘云海,易成濤.MEMS慣性導航傳感器[J].艦船科學技術,2014,36(1):115-121.

ZHOU Hong-jin,ZHONG Yun-hai,YI Cheng-tao.MEMS inertial navigation sensors[J].Ship Science and Technology,2014,36(1):115-121.

[3] 張樹俠，孫靜.捷聯式慣性導航系統[M].北京：國防工業出版社.

[4] 梁谷.基于MEMS的捷聯慣導系統的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2008.

[5] 郝宏偉，馬鐵華，范錦彪.無陀螺微觀性測量組合電路設計[J].電子測量技術,2009,32(1):43-45.

HAO Hong-wei,MA Tie-hua,FAN Jin-biao.Design of non-gyro micro inertial measurement unit circuit[J].Electronic Measurement Technology,2009,32(1):43-45

The design of navigation system based on Nios II

YANG Rui

(Department of Computer of Jining Teacher′s College,Wulanchabu 012000，China)

Using gyroscope inertial navigation system has very high accuracy, but the cost is very high, no gyro strapdown inertial navigation system based on a number of accelerometer numerical calculating can also achieve the purpose of the navigation, and the cost is much lower than using gyroscope inertial navigation system. This paper proposes a use navigation system design based on Nios II, through the nine accelerometers installed directly on the carrier, and then by the FPGA, ultimately achieve the purpose of navigation, system has advantages of high accuracy, low cost.

navigation;FPGA;MEMS;the accelerometer

2014-07-18;

2014-10-20

內蒙古自治區教育廳資助項目(NJZZ11285)

楊瑞(1980-)，女，碩士，講師，研究方向為計算機軟件理論、操作系統。

TP393

A

1672-7649(2014)12-0132-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.030