一種于FPGA的高速導(dǎo)航解算系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　圖2為導(dǎo)航解算FPGA功能仿真時序圖，以此估算模塊計算所消耗的時間。一次姿態(tài)解算需要230個時鐘周期，一次導(dǎo)航解算需要980個時鐘周期，那么在50 MHz的系統(tǒng)時鐘下，姿態(tài)解算需時4.7微秒，導(dǎo)航解算需時20微秒。導(dǎo)航解算系統(tǒng)功能仿真結(jié)果與計算機(jī)計算結(jié)果進(jìn)行對比，仿真步長為0.1秒，仿真輸入?yún)?shù)如表2所示，計算結(jié)果如表3所示，通過比對可以發(fā)現(xiàn)，FPGA的計算結(jié)果與MATLAB計算結(jié)果沒有偏差，說明導(dǎo)航解算系統(tǒng)能夠正確地進(jìn)行導(dǎo)航信息的解算。

　　3 實驗結(jié)果與誤差分析

　　在一輛普通轎車上進(jìn)行導(dǎo)航實驗，系統(tǒng)的搭建如圖1和圖3所示。系統(tǒng)的核心是一塊承擔(dān)數(shù)據(jù)處理任務(wù)的FPGA，在芯片外接合適的IMU，IMU的功耗和體積基本決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的功耗和體積。所以整個導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是簡單和小巧的而且節(jié)能的。

　　實驗進(jìn)行了340秒，如圖4和圖5所示，依次是三軸陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)和三軸加速度計傳感器數(shù)據(jù)。位置曲線如圖6所示，實線是導(dǎo)航解算系統(tǒng)解算的位置信息，虛線是GPS獲得的實際位置信息。可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航解算系統(tǒng)良好地跟蹤了實際位置變化趨勢，但是隨著時間的推移，導(dǎo)航解算系統(tǒng)解算出的位置信息與實際位置信息偏差越來越大。

　　導(dǎo)航解算系統(tǒng)的誤差引入主要因為基于MEMS的慣性傳感器的誤差較大，使用單一傳感器進(jìn)行姿態(tài)和位置解算會在姿態(tài)計算和速度計算環(huán)節(jié)兩次引入積累誤差。在實際使用中，載體使用的戰(zhàn)術(shù)級高精度IMU，在一定的使用時間內(nèi)，導(dǎo)航系統(tǒng)不會產(chǎn)生很大的積累誤差。除此之外，發(fā)揮本系統(tǒng)動態(tài)特性好、更新速率快的優(yōu)勢，借助最優(yōu)估計的方法，通過進(jìn)行多種傳感器的信息融合也可以收斂誤差。

　　4 結(jié)論

　　針對現(xiàn)有小型無人機(jī)導(dǎo)航解算系統(tǒng)解算速度慢、多處理器臃腫可靠性差的缺點，文中提出了一種并行化的導(dǎo)航解算方法，并搭建了一種僅使用單一FPGA芯片為數(shù)據(jù)處理核心的小型高速導(dǎo)航解算系統(tǒng)，功能仿真驗證了導(dǎo)航解算的高速性和準(zhǔn)確性。車載實驗驗證了系統(tǒng)可以在實際中完成導(dǎo)航信息的解算工作。根據(jù)一次結(jié)算消耗時間可知系統(tǒng)理論擁有50 000 Hz的導(dǎo)航解算能力，在實際使用中，輔以足夠精度的高速IMU，系統(tǒng)將會發(fā)揮小型化、高速率和低功耗的優(yōu)勢，在相關(guān)的小型無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域有重要借鑒意義。