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捷联导引头视线角速率估计方法研究

作 者: 曹卫卫
导 师: 刘晓利
学 校: 南京理工大学
专 业: 导航、制导与控制
关键词: 捷联导引头 Kalman滤波 FPGA 角速率估计
分类号: TJ765.331
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


视线角速率是制导控制中的重要参数之一,对其的准确估计关系到系统的整体性能。捷联导引头只能测得弹体视线角信号,无法直接测定惯性坐标系下的视线角速率,因此需要对含有噪声的体视线角测量信息进行求导,然后与速率陀螺数据相加获得目标视线角速率。在多数情况下,可以采用差分方法来近似估计信号的导数,但是由于噪声几乎存在于所有信号中,所以通过这种方法不能正确估计信号的导数。通过建立合适的对象模型,Kalman滤波算法可以抑制噪声,同时求取信号的导数。本文构建了一个基于FPGA实现Kalman算法的软硬件系统,用于实现对弹体视线角的求导,进而实现对目标视线角速率的正确估计。软件部分采用模块化设计,将系统划分为A/D控制、Kalman滤波算法和D/A控制三个主要模块。滤波算法部分也分解为几个功能模块,采用分时复用方法,最大限度地降低算法复杂度。运算部分采用浮点算法,保证了运算精度。通过对子模块及整个系统的仿真验证,该方法对于目标跟踪及导数估计都有较好的结果,满足设计要求。硬件系统包括FPGA最小系统及AD、DA电路,并对硬件电路进行了测试及软件下载调试。本文的研究对FPGA在目标视线角速率估计中的应用进行了探索,具有很好的应用前景。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-8
1 绪论  8-13
  1.1 国内外研究现状  8-10
    1.1.1 捷联导引头论述  8-9
    1.1.2 滤波算法概述  9-10
  1.2 课题研究的背景及意义  10-11
  1.3 本文主要研究内容  11-12
    1.3.1 算法研究及Matlab仿真  11-12
    1.3.2 软件设计  12
    1.3.3 硬件系统设计  12
    1.3.4 下载调试及实验验证  12
  1.4 论文构成  12-13
2 Kalman滤波算法研究  13-22
  2.1 随机线性离散系统的数学模型  13-14
  2.2 Kalman滤波算法  14-16
  2.3 目标机动模型  16-18
    2.3.1 常速度模型  16-17
    2.3.2 常加速度模型  17-18
  2.4 Matlab仿真验证  18-21
  2.5 本章小结  21-22
3 Kalman滤波软件设计  22-48
  3.1 FPGA设计技术  22-25
    3.1.1 FPGA设计流程  22-24
    3.1.2 Verilog硬件描述语言  24
    3.1.3 QuartusⅡ开发软件  24-25
  3.2 A/D控制模块  25-28
    3.2.1 AD芯片工作原理  25-26
    3.2.2 A/D控制模块  26-28
  3.3 Kalman滤波算法模块  28-38
    3.3.1 底层浮点运算模块  29-30
    3.3.2 p_forcast模块  30-32
    3.3.3 k_pridict模块  32-33
    3.3.4 p_pridict模块  33-34
    3.3.5 state_forcast模块  34-35
    3.3.6 state_pridict模块  35-37
    3.3.7 FIFO模块  37
    3.3.8 state_transfer模块  37-38
  3.4 D/A控制模块  38-41
    3.4.1 DA芯片工作原理  38-40
    3.4.2 D/A控制模块  40-41
  3.5 模块仿真验证  41-47
    3.5.1 A/D控制模块仿真验证  42-43
    3.5.2 p_forcast模块仿真验证  43-44
    3.5.3 模块通信仿真验证  44-45
    3.5.4 Kalman滤波算法仿真验证  45-46
    3.5.5 D/A控制模块仿真验证  46-47
  3.6 本章小结  47-48
4 硬件系统设计  48-57
  4.1 系统硬件方案总体设计  48
  4.2 FPGA最小系统  48-55
    4.2.1 FPGA芯片介绍  48-50
    4.2.2 电源电路设计  50-51
    4.2.3 时钟电路设计  51
    4.2.4 复位电路设计  51
    4.2.5 存储电路设计  51-52
    4.2.6 下载配置电路设计  52-55
  4.3 外围电路  55-56
  4.4 本章小结  56-57
5 系统调试分析  57-60
  5.1 硬件检测  57-58
  5.2 下载及实验  58-59
  5.3 本章小结  59-60
6 总结与展望  60-61
  6.1 总结  60
  6.2 展望  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-64

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中图分类: > 工业技术 > 武器工业 > 火箭、导弹 > 导弹 > 制导与控制 > 制导 > 自动导引 > 导引头
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