基于SoPC的微小型組合導航系統(tǒng)設計

摘 要： 針對目前常用組合導航系統(tǒng)由于體積大，造價昂貴，無法進行廣泛推廣的情況，設計基于MEMS的捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)GPS、電子羅盤EC相融合的微小型組合導航系統(tǒng)。系統(tǒng)以NiosⅡ處理器和Altera公司提供的IP核為基礎，建立基于SoPC系統(tǒng)的組合導航硬件平臺，同時，采用松組合導航信息融合算法，完成微小型組合導航系統(tǒng)運算及軟件設計。試驗結果有效驗證了該文算法的有效性和可行性。

關鍵詞： 組合導航； SoPC； 信息融合； 微小型慣性測量單元

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0104?05

Design of micro integrated navigation system based on SoPC

WANG Xiaoying

（Software and Information Engineering Institute， Beihai College of Beihang University， Beihai 536000， China）

Abstract： Since the commonly?used integrated navigation system has large volume and high cost， and is unable to be widely popularized， the micro integrated navigation system was designed， which combines MEMS?based strapdown inertial navigation system with global positioning system （GPS） and electronic compass （EC）. On the basis of Nios Ⅱ processor and IP core made by Altera Corporation， the integrated navigation hardware platform based on SoPC system was established. The loosely?integrated navigation information fusion algorithm is used to accomplish the operation and software design of the micro integrated navigation system. The feasibility and effectiveness of the algorithm were effectively verified by test results.

Keywords： integrated navigation； SoPC； information fusion； micro inertial measurement unit

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，在航空、航天、航海以及各類探測器上導航設備是必不可少的重要設備，其中以捷聯(lián)式慣性導航、衛(wèi)星導航系統(tǒng)等最為突出。捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)是一種以牛頓慣性理論為基礎，實時敏感運載體的及時加速度及姿態(tài)變化，輸出載體的位置信息、速度信息、加速度信息以及載體的航向角、俯仰角、橫滾角等姿態(tài)信息。捷聯(lián)式慣性導航是一種不依賴外部信息的自主導航，其導航可靠性高，但其定位誤差隨著時間的增加而不斷積累，且系統(tǒng)復雜、造價相對昂貴，因而在民用方面得不到有效推廣。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是一種以空間衛(wèi)星為基礎的無線電導航定位系統(tǒng)。由于GPS具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便等特點，其在國民經濟建設、國防建設和社會發(fā)展的各個應用領域得到了廣泛的應用。然而GPS的可靠性難以保證，市區(qū)內的高大建筑、橋梁等及運載體的高速運動都會影響GPS的定位精度。近年來出現(xiàn)的低成本慣性器件MEMS的出現(xiàn)，采用MEMS組成的捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)正逐步應用于民用領域。但由于MEMS相對精度較低，且捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差隨時間不斷積累，因此，基于MEMS的捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)其短期穩(wěn)定性好，而隨著系統(tǒng)運行時間的不斷增加，其穩(wěn)定性將逐步變差。

電子羅盤（Electronic Compass，EC），也稱數(shù)字羅盤，其利用地磁場來測量載體相對于真北方向的偏角，可以實現(xiàn)運載體快速指北的功能。EC具有航向精度較高，但也存在容易受外界環(huán)境的干擾。針對上述問題，本文以智能小車為運載體，采用可編程片上系統(tǒng)SoPC技術，利用Altera公司的FPGA將SINS/GPS/EC有機組合，充分發(fā)揮各類導航的優(yōu)勢，彌補各自的缺陷，即充分利用GPS具有的精度穩(wěn)定性修正SINS隨時間不斷積累的誤差；利用SINS的短期穩(wěn)定性彌補GPS接收機在干擾或遮擋時暫時丟失信號的缺點；利用EC的快速指北特性對陀螺漂移進行補償。通過以上三種子系統(tǒng)構成的微小型組合導航系統(tǒng)，有效地解決了各子系統(tǒng)存在的缺點，實現(xiàn)了運載體如智能小車的快速自主式導航。

1 系統(tǒng)總體結構設計

SoPC技術作為一種新興嵌入式開發(fā)的片上系統(tǒng)可編程技術，其主要采用FPGA芯片，并同時集成了處理器、存儲器、I/O口等模塊集成，以完成系統(tǒng)的主要邏輯功能運算。系統(tǒng)具有設計方便、靈活等特點，用戶可進行剪裁、擴充及軟硬件的升級等操作。同時，SoPC具有豐富的軟件資源及出色的人機交互能力，且FPGA芯片具有快速硬件邏輯特性，可有效實現(xiàn)軟件與硬件之間的優(yōu)勢互補，因此本文選擇采用基于SoPC技術對微小型組合導航系統(tǒng)進行設計與開發(fā)。

SINS，GPS和地磁三種不同的導航模式，均具有不同的優(yōu)勢及缺陷，采用數(shù)據(jù)融合計算，充分發(fā)揮各導航模式的優(yōu)勢，克服各自的缺陷，最終實現(xiàn)基于智能小車的自主微小型組合導航系統(tǒng)設計。系統(tǒng)的核心微處理器選用了CycloneⅢ系列芯片EP3C40Q240，其具有豐富的I/O口資源及片上資源，因而可構建一套高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)。各模塊的電源和模塊間信號的傳遞的任務由系統(tǒng)底板提供。在組合導航系統(tǒng)中，由于處理器既要負責大量的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸，又要完成復雜的捷聯(lián)解算、數(shù)據(jù)融合等運算，采用單個處理器較難完成如此繁雜的任務，系統(tǒng)的實時性難以得到保證。因此有必要構建雙NiosⅡ系統(tǒng)。

如圖1所示，采用NiosⅡ處理器和Altera公司提供的IP核構建SoPC系統(tǒng)。CPU1負責與FPGA的外圍設備通信，通信模塊和自定義外設用Verilog實現(xiàn)，采集傳感器數(shù)據(jù)，進行小計算量運算，輸出結果；CPU2則只做捷聯(lián)解算和數(shù)據(jù)融合，部分算法通過自定義指令的方式實現(xiàn)。雙核系統(tǒng)的關鍵技術在于雙核的啟動和雙核間的通信。當系統(tǒng)進行啟動時， CPU1和CPU2的程序映像均存放于EPCS中，CPU1的Bootloader存放到EPCS中，啟動代碼由開發(fā)環(huán)境自動生成；CPU2的Bootloader由CPU1的應用程序來實現(xiàn)、CPU2的啟動由CPU1來控制。如圖2所示，在SoPC Builder中CPU1的復位地址指向EPCS Controller的基地址，異常地址指向RAM；CPU2的復位地址和異常地址都指向RAM。

圖10 磁北測量原理

如圖10所示，航向角[ψ]值為[ψ=arctanyx]。當采用多點測量法對載體進行測量，即將載體在水平面上旋轉一周，由于載體始終以原點為圓心進行規(guī)制圓周運動，因而對兩個測量軸的矢量和始終恒定。而在實際測量過程中，由于存在地磁場等外部干擾，測量信息值繪制成軌跡則是一個橢圓，且橢圓的圓心并不位于原點。因此，在采用地磁測量前需采用數(shù)學方法對模型進行標定，通過對橢圓的拉伸、平移等變換將橢圓恢復成以原點為圓心的規(guī)則圓。

當載體不是處于水平面時，應用下面公式求得航向與地磁北的夾角：

最后得到的航向角為載體與地磁北的夾角，為了求得載體與真北的夾角，需要對所求得的航向角進行補償，即加上或者減去地磁北與真北的夾角。

3.4 組合導航

系統(tǒng)選擇聯(lián)邦卡爾曼濾波器結果進行SINS/GPS/EC的信息融合，綜合考慮系統(tǒng)的定位精度、容錯性能以及局部濾波器與主濾波器融合的算法的實現(xiàn)情況，選擇[βf=0]，且設置系統(tǒng)無重置，及主濾波器狀態(tài)方程無信息分配，主濾波器不進行濾波處理，僅僅完成子系統(tǒng)的綜合信息處理。

由于SINS系統(tǒng)自主性能強，輸出信息全面等優(yōu)點，因此，選擇SINS作為組合導航系統(tǒng)的主參考系統(tǒng)，系統(tǒng)融合結構如圖11所示。

圖11 組合導航信息融合算法原理圖

4 試驗驗證

以小車為驗證載體，設定其進行勻速直線運動，速度為2 m/s，航跡起始位置為緯度為40.01°，經度為116.20°，利用SINS，GPS和EC測量載體的姿態(tài)及速度，各系統(tǒng)的采樣頻率分別為10 Hz，1 Hz及0.1 Hz，最終以輸出載體的位置信息對組合導航效果進行檢測，試驗結果如圖12～圖14所示。

分析試驗結果可知，采用MEMS的捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)在短時間內即發(fā)散，而采用SINS/EC系統(tǒng)，在大約20 min內，位置誤差可以控制在40 m左右，而采用SINS/GPS/EC進行組合導航的小車位置誤差一直可以保持在10 m以內，在實際應用時，誤差偶爾會增大一些，約為5～15 m，這與GPS信號誤差有較大的關系。

5 結 語

本文以NiosⅡ處理器和Altera公司提供的IP核為基礎，結合基于MEMS的SINS，GPS，EC模塊構建基于SoPC系統(tǒng)的組合導航系統(tǒng)，采用松組合導航信息融合算法，完成智能小車的微小型組合導航系統(tǒng)軟硬件設計。通過對搭載本文微小型組合導航的智能小車進行試驗，驗證了本文設計系統(tǒng)的可行性和有效性。

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