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基于DSP的惯性导航系统设计与实现

作　者: 徐健
导　师: 王德君
学　校: 大连理工大学
专　业: 物理电子学
关键词: 捷联惯性导航系统 陀螺仪 数字信号处理器 现场可编程门阵列
分类号: V249.322
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 911次
引　用: 3次
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内容摘要


导航是将载体从起始点引导到目的地的方法。惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)不需要外部信息，具有自主性强的特点。为了使INS从军用领域推广到民用领域，有必要设计开发成本低、体积小、性能强的新型捷联式惯性导航系统。 论文提出了捷联式惯性导航系统的设计方案。着眼于DSP技术，将新型高性能浮点式数字信号处理器(TI TMS320C6713)应用于惯性导航系统，使系统兼具了体积小和运算能力强的特点，为在小型惯性导航系统中实现复杂的导航算法提供了硬件条件。并且，在系统中应用FPGA技术，选用目前性价比较高的FPGA芯片(Xilinx Spratan-3系列)，使系统的硬件电路设计更灵活，功能更强大，为在不改变硬件电路的情况下进行系统升级提供了可能。另外，模数转换方式不同于常用的逐次逼近法和双斜积分法，而是采用了I／F转换的方法，这样系统在同等分辨率的条件下成本更低，抗干扰能力更强，特别适于本系统的多通道模数转换。 根据上述方案设计了挠性陀螺伺服电路板、I／F变换电路板和数据采集处理电路板。在挠性陀螺伺服电路中使用有源二阶低通滤波电路抑制高频谐波分量的干扰，提高测量的精度。在数据采集处理电路中，使用Verilog硬件描述语言设计了多路计数器，该计数器具有数据缓存单元，允许在计数的同时读取数据。另外，使用FPGA芯片进行逻辑控制，通过设计合理的接口关系，协调不同芯片间的工作时序，从而解决了DSP操作控制其它外围芯片较困难的问题，降低了软件设计的难度。设计二级引导程序，解决了DSP自动加载程序代码量过少的问题，配合使用惯性测量测试程序和FLASH写入程序，使系统能够在上电后自动进行惯性测量测试任务。 该论文将DSP技术、FPGA技术等新兴电子技术应用于惯性导航系统中，系统的检证结果表明，基于高性能DSP的捷联惯性导航系统能够满足小体积、低成本、高性能等要求，基本满足捷联式惯性导航系统的实际应用需求。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-12
  1.1 惯性导航系统研究背景  7-8
  1.2 国内外发展现状  8-9
  1.3 本课题研究的意义和解决的主要问题  9-10
  1.4 论文研究的工作内容  10-12
2 惯性导航系统理论基础  12-20
  2.1 常用坐标系及其转换关系  12-15
  2.2 惯性导航简化原理  15-16
  2.3 捷联式惯性导航系统  16-20
3 核心器件体系结构  20-35
  3.1 数字信号处理器  20-24
    3.1.1 数字信号处理器概述  20-21
    3.1.2 TMS320C6000系列DSP结构和特点  21-24
  3.2 现场可编程门阵列  24-29
    3.2.1 现场可编程门阵列概述  24-25
    3.2.2 Spratan-3系列FPGA概述及特性  25-26
    3.2.3 Spratan-3系列FPGA器件结构  26-29
  3.3 石英挠性摆式加速度计  29-30
  3.4 挠性陀螺仪  30-31
  3.5 V/F芯片  31-35
4 捷联惯性导航系统硬件设计  35-53
  4.1 硬件电路设计要求及设计工具  35
  4.2 加速度测量电路  35-36
  4.3 挠性陀螺伺服电路  36-40
    4.3.1 伺服电路工作原理  36-37
    4.3.2 电路功能及原理设计  37-39
    4.3.3 挠性陀螺伺服电路调试  39-40
  4.4 A/D变换电路  40-41
  4.5 多路数据采集电路  41-49
    4.5.1 FPGA开发环境简介  43-44
    4.5.2 单路脉冲计数模块  44
    4.5.3 单路锁存模块  44-45
    4.5.4 选择输出模块  45-46
    4.5.5 控制输入输出模块  46-49
  4.6 DSP及外围电路  49-53
    4.6.1 DSP电源电路  49-50
    4.6.2 存储器电路  50-51
    4.6.3 串口扩展电路  51-53
5 捷联惯性导航系统的底层软件设计  53-61
  5.1 DSP软件开发环境简介  53-54
  5.2 导航系统底层测试软件设计  54-60
    5.2.1 惯性测量测试程序设计  55-57
    5.2.2 Boot Loader程序设计  57-59
    5.2.3 FLASH写入程序设计  59-60
  5.3 本章小结  60-61
6 惯性导航系统检证测试  61-65
结论  65-66
参考文献  66-68
附录A 数据采集处理电路板原理图  68-69
附录B I/F电路板原理图  69-70
附录C 陀螺伺服电路板原理图  70-71
附录D 计数器others模块代码  71-74
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  74-75
致谢  75-76
大连理工大学学位论文版权使用授权书  76

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 飞行控制系统与导航 > 导航 > 导航系统 > 惯性导航系统
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