慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS，Inertial Navigation System）也稱作慣性參考系統(tǒng)，是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量（如無(wú)線電導(dǎo)航那樣）的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。其工作環(huán)境不僅包括空中、地面，還可以在水下。慣性導(dǎo)航的基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于推算導(dǎo)航方式，即從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來(lái)形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系，使加速度計(jì)的測(cè)量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中，并給出航向和姿態(tài)角；加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的加速度，經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分即可得到位移。

　　現(xiàn)代比較常見(jiàn)的幾種導(dǎo)航技術(shù)，包括天文導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航等等，其中，只有慣性導(dǎo)航是自主的，既不向外界輻射東西，也不用看天空中的恒星或接收外部的信號(hào)，它的隱蔽性是最好的。

　　慣性導(dǎo)航，并不像大家所認(rèn)為的那樣“不靠譜”，像國(guó)家的很多戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器，再如洲際飛行的民航飛機(jī)等，都必須依賴慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或者慣導(dǎo)系統(tǒng)和其他類型的導(dǎo)航系統(tǒng)的組合。它的造價(jià)也比較昂貴，像一臺(tái)導(dǎo)航級(jí)（即1小時(shí)誤差1海里）的慣導(dǎo)系統(tǒng)，至少要幾十萬(wàn)，而這種精度的導(dǎo)航系統(tǒng)已足夠配備在波音747這樣的飛機(jī)上了?，F(xiàn)在，隨著mems（微電子機(jī)械系統(tǒng)）慣性器件技術(shù)的進(jìn)步，商業(yè)級(jí)、消費(fèi)品級(jí)的慣性導(dǎo)航才逐漸走進(jìn)尋常百姓家 。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　1、由于它是不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，故隱蔽性好，也不受外界電磁干擾的影響；

　　2、可全天候、全時(shí)間地工作于空中、地球表面乃至水下；

　　3、能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低；

　　4、數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。

　　缺點(diǎn)

　　其缺點(diǎn)是：

　　1、由于導(dǎo)航信息經(jīng)過(guò)積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)間而增大，長(zhǎng)期精度差；

　　2、每次使用之前需要較長(zhǎng)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間；

　　3、設(shè)備的價(jià)格較昂貴；

　　4、不能給出時(shí)間信息。

　　但慣導(dǎo)有固定的漂移率，這樣會(huì)造成物體運(yùn)動(dòng)的誤差，因此射程遠(yuǎn)的武器通常會(huì)采用指令、GPS等對(duì)慣導(dǎo)進(jìn)行定時(shí)修正，以獲取持續(xù)準(zhǔn)確的位置參數(shù)。慣導(dǎo)系統(tǒng)目前已經(jīng)發(fā)展出撓性慣導(dǎo)、光纖慣導(dǎo)、激光慣導(dǎo)、微固態(tài)慣性儀表等多種方式。陀螺儀由傳統(tǒng)的繞線陀螺發(fā)展到靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、微機(jī)械陀螺等。激光陀螺測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍寬，線性度好，性能穩(wěn)定，具有良好的溫度穩(wěn)定性和重復(fù)性，在高精度的應(yīng)用領(lǐng)域中一直占據(jù)著主導(dǎo)位置。由于科技進(jìn)步，成本較低的光纖陀螺（FOG）和微機(jī)械陀螺（MEMS）精度越來(lái)越高，是未來(lái)陀螺技術(shù)發(fā)展的方向。

　　基于FPGA的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　可編程門(mén)陣列FPGA 比專用集成電路ASIC 縮短了開(kāi)發(fā)周期“3，基于FPGA開(kāi)發(fā)的慣導(dǎo)處理系統(tǒng)可以對(duì)不同廠家的GPS裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與處理。當(dāng)前慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案有兩類：一類是以單片機(jī)或ARM 處理器來(lái)進(jìn)行慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的采集，然后結(jié)合DSP來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理;另一類方法是采用FPGA作為系統(tǒng)的外圍設(shè)備擴(kuò)展部分，用DSP來(lái)進(jìn)行導(dǎo)算。這兩種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且難于維護(hù)。隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在完全可以采用單獨(dú)的一片F(xiàn)PGA來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能的。

　　1、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的硬件部分采用FPGA 為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用3只正交排列的加速度計(jì)和3 只正交排列的陀螺儀構(gòu)成慣導(dǎo)單元作為系統(tǒng)的輸人信號(hào)53，F(xiàn)PGA 模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　?。?）電源模塊：本系統(tǒng)采用單6 V電源供電。通過(guò)電源變換芯片產(chǎn)生系統(tǒng)需要的5 V.3.3 V和1.2 V電源。由于地是參考0電位，所有電壓都是由參考地得出的，地的標(biāo)準(zhǔn)要一致，故各種地應(yīng)短接在一起。如果把模擬地和因此，電源模數(shù)字地大面積直接相連，會(huì)導(dǎo)致互相千擾。塊中的模擬地和數(shù)字地通過(guò)0 2電阻相連，或小數(shù)字部分和模擬部分的相互干擾的。

　?。?）存儲(chǔ)模塊：硬件電路中增加了- -塊SDram 用于運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)程序。SDram 與FPGA 的接口部分在al-tera的SOPCBuilder軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于本文采用的SDRAM 在SOPCBuilder 中可以找到SDram 控制器的IP，故該部分只需指定相應(yīng)的IP 就可以。在PCB 布線時(shí)要注意時(shí)鐘線要包地，地要盡量完整，數(shù)據(jù)線與控制線長(zhǎng)度差距不要太大。

　　（3）時(shí)鐘模塊：時(shí)鐘的產(chǎn)生由有源晶振產(chǎn)生50 MHZ的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)單輸入4輸出的時(shí)鐘緩沖器來(lái)產(chǎn)生不同的時(shí)鐘，時(shí)鐘信號(hào)已經(jīng)在系統(tǒng)板上連接到FPGA 的全局時(shí)鐘引腳。FPGA完成多種時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生。只需要通過(guò)修改Quartus2 下時(shí)鐘模塊即可完成FPGA 時(shí)鐘頻率的選擇，以滿足系統(tǒng)的使用。

　?。?）JTAG 仿真調(diào)試接口：JTAG引腳定義：TCK 為測(cè)試時(shí)鐘輸入;TDI 為測(cè)試數(shù)據(jù)輸人，數(shù)據(jù)通過(guò)TDI輸人TAG 口;TDO為測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過(guò)TDO從JTAG口輸出; TMS 為測(cè)試模式選擇，TMS用來(lái)設(shè)置JTAG 口處于某種特定的測(cè)試模式。進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要將TDI和TDO信號(hào)通過(guò)一個(gè)1k2的電阻拉高，同時(shí)將TCK信號(hào)采用1k2的電阻拉低。

　?。?）串口部分：提供1~4 個(gè)串口可供用戶自由配制。串口模塊可供系統(tǒng)的擴(kuò)展使用，根據(jù)不同的需求可以選接GPS組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

　?。?）配置模塊：FPGA配骨芯片采用大容量在線可編程芯片，EPCS16（容量為16 Mb），可方便靈活地完成編程操作。

　?。?）數(shù)據(jù)采集模塊：采集模塊主要負(fù)責(zé)采集3只加速度計(jì)，3陀螺的信號(hào)。陀螺儀和加速度計(jì)采取3軸正交放置，其中加速度計(jì)選取的是PWM脈沖輸出的，陀螺儀采用的是SPI輸出。這樣就免去了A/D轉(zhuǎn)換的電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

　?。?） PCB板模塊：采用altiumdesigner6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)5。本方案設(shè)計(jì)采用8層電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了減少層間干擾，必須合理設(shè)置板層結(jié)構(gòu)。信號(hào)層和電源層交錯(cuò)布置，本電路板的設(shè)置方式為頂層信號(hào)，GND層，信號(hào)1層，3.3 V.1.2 V混合層，DGND層。信號(hào)2層，DGND層，底層信號(hào)層。

　　2、慣性器件的參數(shù)的獲取

　　采用quartus2作為系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。對(duì)于加速度的獲取，利用altera提供的計(jì)數(shù)器核來(lái)獲取加速度的信號(hào)。計(jì)數(shù)器模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　將PWM脈沖信號(hào)接到LPM 計(jì)數(shù)器模塊的時(shí)鐘使能端。同時(shí)將PWM信號(hào)輸入至異步清零端。將計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)作為PIO接口的輸入信號(hào)，在NIOS2 開(kāi)發(fā)環(huán)境下編程獲得計(jì)數(shù)器的值。然后再根據(jù)加速度計(jì)手冊(cè)中給出的相關(guān)公式就可以計(jì)算得出具體加速度的數(shù)值。獲取計(jì)數(shù)器的數(shù)值的C程序如下：

　　陀螺信號(hào)的輸出是SPI格式，系統(tǒng)采用一個(gè)SPI 主機(jī)帶3 個(gè)從機(jī)的方式連接陀螺儀和FPGA模塊，其中SPI 主機(jī)與從機(jī)的連接方式如圖3 所示的。

　　本系統(tǒng)采用NIOS2 自帶的SPI接口的C程序來(lái)得到陀螺儀的輸出信號(hào)。與系統(tǒng)通信的C 函數(shù)如下：

　　其中，base是系統(tǒng)確定的從機(jī)地址，slave 是從機(jī)選擇信號(hào)，write_length 是寫(xiě)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，write_data 寫(xiě)數(shù)據(jù)地址，readlength讀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，read_data 讀數(shù)據(jù)地址，flags標(biāo)志位。該函數(shù)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)從加速度計(jì)和陀螺儀中讀取數(shù)據(jù)信號(hào)。讀出的數(shù)值按照陀螺儀手冊(cè)上給出的值進(jìn)行轉(zhuǎn)換就可以得到陀螺信號(hào)的實(shí)際值。

　　3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　表1為MIMU在幾種靜止姿態(tài)時(shí)，X.Y.Z軸加速度計(jì)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的比較以及數(shù)值誤差。

　　其誤差產(chǎn)生原因主要是由于加速度計(jì)存在一定的安裝誤差，所以與理論方向存在一定偏差，而且加速度計(jì)輸出信號(hào)受到系統(tǒng)電路噪聲等干擾，再加上受加速度計(jì)輸出精度的限制，從而造成該MIMU的系統(tǒng)誤差。若使系統(tǒng)更合理，就要求進(jìn)一步優(yōu)化電路，避免或減少電路噪聲等F擾，并要優(yōu)化系統(tǒng)信號(hào)處理算法，測(cè)試經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　基于FPGA微小型慣性測(cè)量系統(tǒng)具有靈活性高、設(shè)計(jì)周期短、風(fēng)險(xiǎn)低的特點(diǎn)，無(wú)論在軍事還是在民用領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。本文根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的要求，研究了自行設(shè)計(jì)的基于FPGA的慣性測(cè)量組合的數(shù)據(jù)采集與處理，完成了系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)聯(lián)調(diào)，并對(duì)部分結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可靠。