基于NiosⅡ的導(dǎo)航計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 瑞

(內(nèi)蒙古集寧師范學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

基于NiosⅡ的導(dǎo)航計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 瑞

(內(nèi)蒙古集寧師范學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

使用陀螺儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有非常高的精度，但是成本非常高昂，無陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過對多個(gè)加速度計(jì)的數(shù)值進(jìn)行解算也可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的目的，同時(shí)成本遠(yuǎn)低于使用陀螺儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。本文提出了一種基于Nios II 的導(dǎo)航計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過將9個(gè)加速度計(jì)直接安裝在載體上，然后通過FPGA進(jìn)行計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的目的，系統(tǒng)具有準(zhǔn)確性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

導(dǎo)航；FPGA；MEMS；加速度計(jì)

0 引 言

導(dǎo)航是指將物體從一個(gè)地方引導(dǎo)到另外一個(gè)地方。對于艦船的正常航行而言，導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性不言而喻。為了獲取導(dǎo)航信息，需要獲得艦船的實(shí)時(shí)速度、位置以及姿態(tài)等。導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成為一種較為成熟的技術(shù)。慣性導(dǎo)航是最為重要的導(dǎo)航技術(shù)之一，它是根據(jù)牛頓的慣性原理，通過使用加速度計(jì)或者陀螺儀等來獲得載體的角運(yùn)動(dòng)參數(shù)和線運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過給定的初始狀態(tài)參數(shù)來獲取載體的導(dǎo)航參數(shù)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于不需要向外輻射能量，因而具有非常高的隱蔽性，在現(xiàn)代艦船導(dǎo)航系統(tǒng)中占據(jù)了非常重要的地位。同時(shí)由于其不依賴外界信息，因而是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)[1-2]。

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步而不斷發(fā)展。最初導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)受限于電子元器件及相關(guān)技術(shù)的限制，體積一般都非常龐大，同時(shí)性能參數(shù)也非常低。進(jìn)入21世紀(jì)以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在艦船信息處理、艦船消防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前最為流行的計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是使用DSP+MCU的方式來構(gòu)建，其優(yōu)點(diǎn)在于對于數(shù)據(jù)的處理能力非常強(qiáng)，但是DSP外圍的電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜[3-4]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了一種基于Nios II的導(dǎo)航計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，充分使用FPGA內(nèi)部硬件資源，使得大部分功能都能在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，因而可以極大地降低導(dǎo)航系統(tǒng)的體積和成本，同時(shí)也降低了硬件設(shè)計(jì)的難度。系統(tǒng)主要包括了數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)解算模塊，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可以滿足導(dǎo)航計(jì)算的基本要求。

1 工作原理

1.1 基本原理

最初的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中一般都安裝了陀螺儀，并且一般都會(huì)使用6個(gè)慣性敏感元件來對導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行測量和計(jì)算。在最初的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，陀螺儀主要用來測量載體繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，而加速度計(jì)則用來測量載體質(zhì)心平動(dòng)的相關(guān)信息。研究者通過不斷地研究發(fā)現(xiàn)，加速度計(jì)在測量載體質(zhì)心平動(dòng)信息時(shí)，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(shù)據(jù)信息，因而陀螺儀可以使用3個(gè)加速度計(jì)來代替，在此基礎(chǔ)上，有研究者提出了一種使用6個(gè)加速度計(jì)的導(dǎo)航計(jì)算系統(tǒng)方案，這就是無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。

在無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中一般都會(huì)使用6個(gè)以上的加速度計(jì)，這些加速度計(jì)所測量的信息包括了載體沿俯仰、橫滾、偏航軸的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度以及角速度信息，通過對這些信息進(jìn)行匯總和計(jì)算，就可以得到慣性坐標(biāo)系和艦船坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣，通過使用計(jì)算機(jī)或者嵌入式系統(tǒng)對這個(gè)余弦矩陣進(jìn)行求解，就可以得到艦船在地理坐標(biāo)系中的加速度分量[5]。

參考載體初始對準(zhǔn)的結(jié)果或在空中由其他信號(hào)源提供的初始條件，可以得到地理坐標(biāo)系相對慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)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(dāng)前位置的高度以及經(jīng)緯度。

1.2 坐標(biāo)系

根據(jù)前述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理，可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)導(dǎo)航過程中，由于其基本原理以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)，因而需要選取合適的坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的選取會(huì)直接影響最終慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確度。本文主要介紹導(dǎo)航坐標(biāo)系以及載體坐標(biāo)系的建立。

根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際工作時(shí)的需要而選取的一種坐標(biāo)系稱之為導(dǎo)航坐標(biāo)系。在無陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)中，其力學(xué)方程同有陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)中完全一致，只是在無陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)中需要對角速度進(jìn)行計(jì)算，因而在導(dǎo)航坐標(biāo)系的選擇上基本同有陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)相一致。導(dǎo)航坐標(biāo)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(biāo)系的方位及水平姿態(tài)角。圖1為導(dǎo)航坐標(biāo)系示意圖。

圖1 導(dǎo)航坐標(biāo)系Fig.1 The navigation system

圖1中參數(shù)的意義如下：

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

除了導(dǎo)航坐標(biāo)系外，還需要確定載體坐標(biāo)系。由于艦船在航行過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)或者偏離，因而必須要使用一個(gè)能夠同載體相聯(lián)系的坐標(biāo)系。因而，艦船坐標(biāo)系就是以艦船的質(zhì)心作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，如圖2所示，并且進(jìn)行如下定義：

方位角H：首向基準(zhǔn)線同北向基準(zhǔn)線的夾角，這里的首向規(guī)定為載體縱軸的軸向在水平面內(nèi)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(biāo)系Fig.2 Carrier coordinate system

在建立了坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，本文使用9個(gè)加速度計(jì)來進(jìn)行導(dǎo)航信息的計(jì)算，圖3為9個(gè)加速度計(jì)的配置方式。在這個(gè)方案中，利用沿坐標(biāo)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(jì)的測量值可解算出載體的角加速度，以及角速度的乘積項(xiàng)。使用這種方法來進(jìn)行計(jì)算相對簡單。

圖3 加速度計(jì)配置Fig.3 The accelerometer allocation

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

在本文所提出的導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了9個(gè)加速度計(jì)傳感器，用于測量各個(gè)方向上的加速度或角速度。這些加速度計(jì)輸出的是模擬量，因而需要將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化后再輸入到FPGA中才能進(jìn)行解算。而在艦船航行的復(fù)雜環(huán)境中，導(dǎo)航系統(tǒng)中各加速度計(jì)有可能受到各種各樣的信號(hào)干擾，因而需要在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前對信號(hào)進(jìn)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(dǎo)航計(jì)算系統(tǒng)硬件框圖。在加速度計(jì)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(jìn)行處理，然后使用A/D芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)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(jù)前述原理進(jìn)行求解，并且將最終得到的結(jié)果進(jìn)行顯示。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The diagram for system hardware structure

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

在整個(gè)導(dǎo)航計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，后續(xù)對于數(shù)據(jù)的處理都基于9個(gè)加速度計(jì)輸出的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上進(jìn)行，因而數(shù)據(jù)采集電路必須要具有一定的精度。在本系統(tǒng)中，使用9個(gè)MEMS慣性加速度計(jì)。MEMS慣性加速度計(jì)具有功耗低、重量輕和體積小的優(yōu)點(diǎn)，其中，電容式硅微加速度計(jì)更是其中的佼佼者。考慮到最終系統(tǒng)的成本問題，本文使用Model 1221型，它是由Silicon Designs公司生產(chǎn)的單軸MEMS加速度計(jì)，其量程為±2 g，最小分辨率為10-4g。

MEMS慣性加速度計(jì)輸出的是模擬信號(hào)，這些模擬信號(hào)無法被FPGA所識(shí)別，因而需要使用AD轉(zhuǎn)換芯片將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。同時(shí)考慮到本系統(tǒng)中需要同時(shí)對9個(gè)加速度計(jì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為簡化電路設(shè)計(jì)，在AD轉(zhuǎn)換芯片的選擇上選擇多通道AD轉(zhuǎn)換芯片。AD7656是美國模擬器件公司生產(chǎn)的一款A(yù)D轉(zhuǎn)換芯片，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)六路模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，因而在電路設(shè)計(jì)中使用2片AD7656皆可完成設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)后，需要對軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。System on a programmable chip，即SOPC是一種以FPGA為硬件基礎(chǔ)的特殊嵌入式系統(tǒng)，通過單個(gè)芯片的作用實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯處理的功能。Nios II處理器是基于SOPC技術(shù)的32位RISC處理器軟內(nèi)核。通過Nios II IDE、Quartus II和SOPC Builder等開發(fā)工具可以完成導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)工作。

SOPC主要由Nios II處理器、標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)、存儲(chǔ)器接口以及用戶自定義的一些外設(shè)等部分組成。SOPC Builder可以在軟件中將這些模塊進(jìn)行有機(jī)組合，從而形成一個(gè)整體的系統(tǒng)模塊，并且可以自動(dòng)生成總線邏輯。

根據(jù)微控制器架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)軟核的構(gòu)建。在SOPC Builder中，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz，這樣就可以完全滿足系統(tǒng)前期的設(shè)計(jì)需求。選擇標(biāo)準(zhǔn)型Nios Ⅱ/s，然后定制 Nios II微控制器軟核，加入Nios II處理器內(nèi)核、SDRAM、JTAG UART等模塊，最好配置好鎖相環(huán)，這樣就完成了SOPC的基本設(shè)計(jì)工作。最后可以在Nios II IDE中完成導(dǎo)航信息的計(jì)算工作。

2.3 系統(tǒng)測試

在靜態(tài)下對9個(gè)加速度計(jì)進(jìn)行采樣測試，在一定時(shí)間內(nèi)對9個(gè)通道進(jìn)行連續(xù)采樣100次，在數(shù)據(jù)處理上剔除10個(gè)最大值和最小值，以防止出現(xiàn)粗大誤差，然后將剩余的90個(gè)數(shù)值求平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，得到如表1所示的數(shù)據(jù)。從表1可以看出，數(shù)據(jù)測試比較穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)差非常小，因而可以看出系統(tǒng)具有較高的精度。

表1 測試結(jié)果

改變測試條件，將載體進(jìn)行移動(dòng)，觀察到9個(gè)加速度計(jì)的測量數(shù)據(jù)有明顯變化。在同一地點(diǎn)，改變測試時(shí)間，測量所得到的結(jié)果沒有明顯變化。

3 結(jié) 語

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)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(dǎo)航計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，充分使用FPGA內(nèi)部硬件資源，極大地降低導(dǎo)航系統(tǒng)的體積和成本，也降低了硬件設(shè)計(jì)的難度，通過測試發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的導(dǎo)航系統(tǒng)可以完成導(dǎo)航信息的計(jì)算工作，準(zhǔn)確性較高。

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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(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳資助項(xiàng)目(NJZZ11285)

楊瑞(1980-)，女，碩士，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件理論、操作系統(tǒng)。

TP393

A

1672-7649(2014)12-0132-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.030