为了在实际工程应用中满足导航系统的小型化，低成本和高性能的需求，设计了一种基于陀螺仪和MEMS加速度计的微惯性导航解决方案系统。面考虑各种因素，例如系统成本，计算速度，体积能耗等。系统使用FPGA作为基本控制，使用DSP来完成导航解决方案，并将解决方案的结果通过串行端口返回给上级计算机，以实时显示姿态，速度和速度。置。在现场进行跑车测试。据实际测试要求，以三种不同的状态编写DSP程序：自检，对齐和导航。验结果表明，基于DSP / FPGA的微惯性导航系统可以满足应用的要求，在行驶过程中，车辆行驶了100 s，位置误差的绝对值最终小于25 m。现了实时位置计算系统的功能，并减少了体积以降低成本。
性导航已经成为导航领域中的主要导航方法，因为它不需要外部信息，也不需要向外辐射信息。着MEMS技术的发展，惯性导航技术已进入小型化，低功耗，低成本的时代，并广泛应用于现代航空航天，导航，航空等领域。前，国外对MEMS技术的研究主要集中在高精度和高集成度方面，特别是MEMS陀螺仪的发展。美国，德雷珀实验室已经开始研究惯性微导航，并将惯性微导航与GPS导航相结合，不仅适用于制导炮弹，而且还将其应用于单臂武器用于城市土地运营。兵的城市街头战斗； LLC的综合制导系统使用霍尼韦尔和罗克韦尔·柯林斯抗干扰接收机寻求的矢量跟踪算法来制造综合导航系统，该系统被广泛用于无人机，微型飞机的导航和其他载体[1-2]。而，在结构设计，电路组成，集成和其他技术方面仍然存在许多缺陷，恒温阀芯需要进一步解决。是，国家对MEMS技术的研究起步较晚，经过多年的努力，尽管由于惯性微器件的基础薄弱，在惯性微器件和惯性测量的结合方面已经取得了良好的结果。究表明，中国在技术方面总是被与国外相比。些差异主要体现在批量生产期间设备的性能稳定性和完整性速率上。期的SINS对系统没有很高的精度要求，并且所需数据的处理不是很复杂，因此使用单处理器系统就可以满足要求。多数将Inter或PowerPC系列处理器用作导航计算机的心脏[3 -4]。而，这样的导航计算机体积大，耗能大，不仅不能满足导航系统的小型化要求，而且由于能耗高，产生的热量也会增加。件平台的温度，并会影响导航系统的准确性。京航空航天大学设计了一种导航计算机[5-6]，该计算机使用单片机C8051F021作为数据采集的控制系统，并使用DSP TMS320VC5416作为导航系统。据处理以执行复杂的数据计算。
尺寸为80毫米×80毫米。耗小于2 W，就导航精度而言可以满足集成GPS / INS导航系统的要求。北工业大学和东南大学都生产了带有ARM DSP的双处理器导航计算机[7-8]，并生产了高精度，小型，低功耗的集成导航系统。于MEMS惯性器件的发展现状，本文主要就器件的体积，能耗，可靠性和集成性等方面进行了更多的研究，并完成了材料和工艺方面的研究。于DSP和FPGA的微惯性导航解决方案系统的软件。计和完善主机的实时显示软件。系统调试和测试过程中，系统软件和硬件稳定可靠，并完成了惯性导航系统的基本功能。
系统的硬件平台主要由DSP FPGA架构组成，DSP侧重于捷联算法的解决方案，FPGA负责控制整个系统的精确同步逻辑。合DSP丰富的外部中断资源，可以实时提取和计算导航信息。出口。个系统设计原理图如图1所示。性测量单元由3个单轴陀螺仪和3个单轴电容式加速度计组成，在正交系统结构的三个平面中，每个飞机上安装了1个。速度计和1个陀螺仪。
性测量微型单元收集的6个模拟电压信号通过信号调节模块，并进入A / D采集模块进行模数转换。换完成后，数字导航信息存储在内部A / D FIFO中，一旦FPGA检测到模数转换完成，就会触发DSP中断。后，DSP读取转换后的数字信号，并使用“四元数”方法执行姿态计算。
输机的姿态，速度和位置信息由特定的力转换和整合操作确定[9-10]。
DSP的写入信号连接到FPGA，DSP响应FPGA的中断，并将解决方案的结果写入FPGA的两个FIFO中。FPGA检索FIFO2的DSP返回的导航解决方案的结果，并将其写入外部闪存。时，FIFO1数据通过模拟串行端口下载到上位机以进行实时显示。部闪存记录导航解决方案中的原始数据，这对于记录和分析实验后的实验数据很有用。系统主要由电源模块，数据采集与解决方案模块和串行通讯模块组成。系统以FPGA为主要控制单元，并通过FPGA丰富的逻辑功能执行精确的同步控制，结合DSP在数据处理中的快速和高精度优势及其丰富的中断资源，各种导航信息被合并。时计算导航系统的姿态，速度和位置。中，FPGA完成外部系统同步逻辑的控制，中断信号的控制，数据缓冲和模拟串行通信。系统由外部电源供电，因为该电源与A / D转换器芯片的内部基准电压紧密连接，所以基准电压的噪声电平的幅度决定了采样精度。ADS。率高，性能低，噪声低的电压转换芯片REG104-5，输出噪声的峰峰值小于33μV，符合设计要求。
REG104-5输出与两个MAX8882芯片级联，以将调节后的5 V电源转换为FPGA操作所需的3.3 V和2.5 V，以及操作所需的3.3 V和1.8 V DSP。惯性传感器以及ADS8365和其他芯片由REG104-5的5V稳压输出直接供电。源模块的框图如图2所示。了从惯性微传感器获得高精度数据采集，OPA4340设计为运算放大器，其中2个ADS8365具有6个输入和1个ADS8365。16位高精度输出用作模数转换器，Xilinx的XC2S30和TSP320VC33 DSP用作控制器数据。性微传感器输入的6个模拟信号和2个温度信号经过滤波和放大，然后通过ADS8365进行模数转换。AD的操作模式设置为FIFO模式，量化的数字信号以8位并行模式发送。据总线直接发送到DSP进行处理，从而确保读取数据的实时性能。DSP通过计数器1向AD提供5 kHz的HOLD信号（开始转换），并将系统采样频率控制为5 kS / s。数器0发出5 MHz CLK信号作为AD的外部时钟信号。ADS8365在FIFO模式下工作时，判断/ HOLD为低电平，它将启动相应的通道以开始A / N转换，一旦转换完成，将产生AD-EDC信号。FPGA判断后，它将触发外部DSP / INT0中断。DSP从内部RAM读取转换结果，并完成数据采集阶段。A / D转换结束后30μs，中断/ INT2被激活，DSP解决方案的结果被发送到FPGA的内部FIFO [11]。该设计中，FPGA使用MAX232芯片转换串行端口设备应发送的TTL / CMOS电平和RS232电平。部FPGA FIFO中的并行数据被转换为并行串行并提供给主机。行数据时钟是通过将系统时钟（晶体时钟）除以FPGA而获得的，这与高级计算机用于通信的波特率（115，200 b / s）一致。并执行时钟同步。先，将惯性传感器检测到的电压值通过比例因子和零点在载波坐标系中转换为加速度和角速度值，并对角速度进行积分获取姿态角，然后进行处理以获取载体坐标系与导航坐标系之间的关系。过姿态变换矩阵更新四元数，然后通过坐标变换将对加速度计敏感的电压值获得的比力信息转换为坐标系中的比力信息导航，通过推导重力分量的影响。下来，使用速度和位置方程在导航坐标系中实时获取速度和位置信息[12-13]。TMS320VC33导航设置解决方案的流程图如图3所示。系统已经过焊接和实物调试。刷电路板分为模拟板和数字板两部分，电源转换芯片，稳压模块和数据采集模块位于模拟板上。步逻辑和FPGA中断控制模块以及DSP导航数据解决方案模块位于数字地图上。过打孔将其连接到数字卡。系统的布局考虑了模拟信号与数字信号的隔离，一方面，通过合理的布线和接地可以有效地抑制噪声干扰；另一方面，模拟部分和数字部分被分成两个印刷电路板。小整个系统的体积也可以起到信号隔离的作用。了提高系统的稳定性和可靠性，将印刷电路板放置在铝结构中，各种接口（如DSP，FPGA，Flash和电源）都通过了军事总部。据实际的工程项目，设计了以下跑车实验过程。先，借助于工具将微惯性导航系统固定地连接到测试车辆，以确保微惯性导航系统和测试车辆的三维轴轴向重合。斜传感器通过串行端口连接到FPGA，并与微惯性导航系统安装在同一平面上，以方便后续的测量和初始姿态角的链接。旦惯性导航微系统被DSP程序加电并初始化，主机将通过串行端口向惯性导航微系统发送对准命令字。定字符后，DSP进入初始对齐程序的模块，倾斜传感器给出的初始姿态角将通过串行端口。行初始连接。旦初始对准阶段完成，微惯性系统就会做出判断，当读取主机发送的导航控制字时，DSP进入跑车导航程序模块。成ADC电压信号到导航参数的转换以及运输车三维运动信息的实时计算。具移动信息实时显示在主机上[14]。验是在校园内进行的，每个实验都按照初始对准过程进行了350 s，而跑车则进行了100 s。车的路段可以近似为一条直线。
文设计的导航系统生成的导航信息由Matlab在地图中绘制。中，图4是北，天和东方向的速度随时间的变化；图5是3个姿态角（侧倾，航向和俯仰）随时间的变化；图6分别是北方，天空，用东方和西方三个方向随时间计算出的航母位置变化。4至6在最初的350秒钟处于初始对齐阶段。350 s处，测试车辆开始行驶，并且每个导航数据都正常传输，该数据作为曲线的波动反映在图像中。
园的实际纬度和经度是东经112°53’和北纬37°89’。过100 s的跑车体验后，计算出的纬度和经度的起点和终点之间没有显着差异。除5组实验数据。验结果如表1所示。验表明，该系统在100 s内位置误差的绝对值小于25 m，可以满足中小型导航系统的要求。
误[15]。文设计的基于MEMS传感器的实时位置计算系统的尺寸为60 mm×80 mm，功耗为1.8W。现有类似研究结果相比，l南京航空航天大学设计的导航计算机尺寸为80 mm×80 mm，功耗不到2 W [16]。误差方面，两者都可以在100秒内达到小于30m的位置分辨率误差，但本文档中的搜索结果略好于中国的同一类型。系统基于FPGA DSP架构，传感器是MEMS惯性设备，在体积小，成本低和能耗低方面具有显着优势。时，由于采用了FPGA的多线程并行处理模式，因此提高了系统传输和读取数据的能力，并加快了速度，这比具有单片机的类似系统要好。文提出了一个结合了DSP和FPGA的惯性导航微系统的设计图，可编程FPGA器件的使用简化了电路设计，同时有效地减轻了DSP的负担，从而使其能够专注于导航计算和运动状态判断。
统集成和可靠性。合惯性测量，模拟数据采集模块和出色的计算机显示和体验平台，在野外跑车上的实验表明该系统可以响应由于MEMS传感器的固有特性，减少了系统的体积和成本，但系统具有导航精度。一步是考虑将实验系统与同一实验平台上的高精度母惯性导航系统进行比较，以进行其他实验，以进一步验证设计可以满足定位和定向要求导航系统的一般精度，以及低成本，高性能和小型化。些方面都有很大的优势。
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