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)，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，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，即從一已知點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運動體航向角和速度推算出其下一點的位置，因而可連續(xù)測出運動體的當(dāng)前位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個導(dǎo)航坐標(biāo)系，使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中，并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來測量運動體的加速度，經(jīng)過對時間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過對時間的一次積分即可得到位移。

　　現(xiàn)代比較常見的幾種導(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，它的隱蔽性是最好的。

　　慣性導(dǎo)航，并不像大家所認為的那樣“不靠譜”，像國家的很多戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器，再如洲際飛行的民航飛機等，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。它的造價也比較昂貴，像一臺導(dǎo)航級（即1小時誤差1海里）的慣導(dǎo)系統(tǒng)，至少要幾十萬，而這種精度的導(dǎo)航系統(tǒng)已足夠配備在波音747這樣的飛機上了?，F(xiàn)在，隨著mems（微電子機械系統(tǒng)）慣性器件技術(shù)的進步，商業(yè)級、消費品級的慣性導(dǎo)航才逐漸走進尋常百姓家 。

　　優(yōu)點

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

　　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

　　其缺點是：

　　1、由于導(dǎo)航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差；

　　2、每次使用之前需要較長的初始對準(zhǔn)時間；

　　3、設(shè)備的價格較昂貴；

　　4、不能給出時間信息。

　　但慣導(dǎo)有固定的漂移率，這樣會造成物體運動的誤差，因此射程遠的武器通常會采用指令、GPS等對慣導(dǎo)進行定時修正，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、微機械陀螺等。激光陀螺測量動態(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。由于科技進步，成本較低的光纖陀螺（FOG）和微機械陀螺（MEMS）精度越來越高，是未來陀螺技術(shù)發(fā)展的方向。

　　基于FPGA的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

　　可編程門陣列FPGA 比專用集成電路ASIC 縮短了開發(fā)周期“3，基于FPGA開發(fā)的慣導(dǎo)處理系統(tǒng)可以對不同廠家的GPS裝置進行數(shù)據(jù)通信與處理。當(dāng)前慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的實現(xiàn)方案有兩類：一類是以單片機或ARM 處理器來進行慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的采集，然后結(jié)合DSP來進行數(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)備擴展部分，用DSP來進行導(dǎo)算。這兩種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且難于維護。隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在完全可以采用單獨的一片F(xiàn)PGA來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能的。

　　1、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　該系統(tǒng)的硬件部分采用FPGA 為核心進行設(shè)計，利用3只正交排列的加速度計和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53，F(xiàn)PGA 模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　（1）電源模塊：本系統(tǒng)采用單6 V電源供電。通過電源變換芯片產(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，會導(dǎo)致互相千擾。塊中的模擬地和數(shù)字地通過0 2電阻相連，或小數(shù)字部分和模擬部分的相互干擾的。

　?。?）存儲模塊：硬件電路中增加了- -塊SDram 用于運行系統(tǒng)的實時程序。SDram 與FPGA 的接口部分在al-tera的SOPCBuilder軟件中進行設(shè)計，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 布線時要注意時鐘線要包地，地要盡量完整，數(shù)據(jù)線與控制線長度差距不要太大。

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

　　（4）JTAG 仿真調(diào)試接口：JTAG引腳定義：TCK 為測試時鐘輸入;TDI 為測試數(shù)據(jù)輸人，數(shù)據(jù)通過TDI輸人TAG 口;TDO為測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO從JTAG口輸出; TMS 為測試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG 口處于某種特定的測試模式。進行電路設(shè)計時，需要將TDI和TDO信號通過一個1k2的電阻拉高，同時將TCK信號采用1k2的電阻拉低。

　　（5）串口部分：提供1~4 個串口可供用戶自由配制。串口模塊可供系統(tǒng)的擴展使用，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。

　　（7）數(shù)據(jù)采集模塊：采集模塊主要負責(zé)采集3只加速度計，3陀螺的信號。陀螺儀和加速度計采取3軸正交放置，其中加速度計選取的是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，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

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

　　2、慣性器件的參數(shù)的獲取

　　采用quartus2作為系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境。對于加速度的獲取，利用altera提供的計數(shù)器核來獲取加速度的信號。計數(shù)器模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

　　陀螺信號的輸出是SPI格式，系統(tǒng)采用一個SPI 主機帶3 個從機的方式連接陀螺儀和FPGA模塊，其中SPI 主機與從機的連接方式如圖3 所示的。

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

　　其中，base是系統(tǒng)確定的從機地址，slave 是從機選擇信號，write_length 是寫數(shù)據(jù)長度，write_data 寫數(shù)據(jù)地址，readlength讀數(shù)據(jù)長度，read_data 讀數(shù)據(jù)地址，flags標(biāo)志位。該函數(shù)主要負責(zé)系統(tǒng)從加速度計和陀螺儀中讀取數(shù)據(jù)信號。讀出的數(shù)值按照陀螺儀手冊上給出的值進行轉(zhuǎn)換就可以得到陀螺信號的實際值。

　　3、實驗驗證

　　表1為MIMU在幾種靜止姿態(tài)時，X.Y.Z軸加速度計實際測試數(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，而且加速度計輸出信號受到系統(tǒng)電路噪聲等干擾，再加上受加速度計輸出精度的限制，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)信號處理算法，測試經(jīng)驗值，對誤差進行補償。

　　4、結(jié)束語

　　基于FPGA微小型慣性測量系統(tǒng)具有靈活性高、設(shè)計周期短、風(fēng)險低的特點，無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)計的基于FPGA的慣性測量組合的數(shù)據(jù)采集與處理，完成了系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計聯(lián)調(diào)，并對部分結(jié)果進行了誤差分析，結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計合理可靠。