【正文】 .................................... 29 第 4章 數(shù)據(jù)解算模塊 .............................................................................................. 31 相關(guān)技術(shù)介紹 ................................................................................................. 31 Nios II 簡(jiǎn)介 ............................................................................................... 31 SOPC 技術(shù) ................................................................................................ 32 Quartus II 簡(jiǎn)介 ......................................................................................... 34 SOPC Builder 簡(jiǎn)介 ................................................................................... 36 FPGA 內(nèi)部邏輯資源的設(shè)計(jì)過程 ................................................................... 37 Nios II 集成開發(fā)環(huán)境（ IDE） ...................................................................... 43 本章小結(jié) ......................................................................................................... 44 第 5章 導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)調(diào)試 .................................................................................. 45 硬件調(diào)試 ......................................................................................................... 45 軟件調(diào)試 ......................................................................................................... 45 數(shù)據(jù)采集模軟件調(diào)試 .............................................................................. 45 數(shù)據(jù)解算模塊軟件調(diào)試 .......................................................................... 48 測(cè)試過程中出現(xiàn)的問題及解決的方法 ......................................................... 49 本章小結(jié) ......................................................................................................... 50 結(jié)論 ............................................................................................................................ 51 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................... 52 附錄 ............................................................................................................................ 53 攻讀 學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 ................................................................................ 54 致謝 ............................................................................................................................ 55 索引 ............................................................................................................................ 56 個(gè)人簡(jiǎn)歷 .................................................................................................................... 57 哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 簡(jiǎn)介 導(dǎo)航是指如何引導(dǎo)某載體從一個(gè)地方到另一個(gè)地方的技術(shù)或者方法，所以要想對(duì)載體成功的導(dǎo)航需要載體實(shí)時(shí)的導(dǎo)航參數(shù)，即位置、速度和姿態(tài) ，載體包括車輛、導(dǎo)彈、飛機(jī)、宇宙飛行器、艦船、潛艇等 。 導(dǎo)航一般可以分為自主式導(dǎo)航和非自助式導(dǎo)航。 慣性導(dǎo)航 是 20 世紀(jì)中期才發(fā)展起來的一門技術(shù) ，是根據(jù)牛頓慣性定理，利用載體上的慣性敏感元件（陀螺儀、加速度計(jì) ），測(cè)量載體相對(duì)慣性空間的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在給定的初始條件下，輸出載體的姿態(tài)參數(shù)和導(dǎo)航定位參數(shù) [2]。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是自主 式導(dǎo)航系統(tǒng)，不依賴外界信息，就可以獲得相應(yīng)的導(dǎo)航定位參數(shù)， 而且也不向外輻射能量， 因此隱蔽性比較好， 廣泛的應(yīng)用于航天、航空和航海領(lǐng)域中 [3]。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn) ： 1 自主性強(qiáng)： 慣性導(dǎo)航比較適合軍用對(duì)全天候和抗磁、電、光的能力的要求。 慣性導(dǎo)航 不像天文導(dǎo)航要觀測(cè)天體，也 不同于無線電導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航需要地面臺(tái)站， 慣性導(dǎo)航 可以不依賴地面 或天空的任何輔助設(shè)備而完成 導(dǎo)航任務(wù)，適于全球?qū)Ш?。 2 提供導(dǎo)航參 數(shù)多： 無線電和天文導(dǎo)航只能提供位置信息，多普勒和衛(wèi)星導(dǎo)航只能提供速度和位置信息。慣性導(dǎo)航有“中心信息源”之稱，可以提供加速度、速度、姿態(tài)、航向和位置，全部的導(dǎo)航參數(shù)。 所以慣性導(dǎo)航廣泛的應(yīng)用于航空、航天、航海領(lǐng)域，也會(huì)被用在大地測(cè)量、地質(zhì)勘探等方面的定位、測(cè)斜工作。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分類 從結(jié)構(gòu)上區(qū)分，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要分為平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)兩大類。 平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng) ： 將 慣性元件 陀螺儀和加速度計(jì)， 通過萬向支架角運(yùn)動(dòng)隔離系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)載物固聯(lián)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。 陀螺儀可以敏感到平臺(tái)的角運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)通過穩(wěn) 定回路可以跟蹤某一給定的坐標(biāo)系（如地理坐標(biāo)系） ， 加速度計(jì)可以輸出某一軸向的比力信息，經(jīng)過導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的運(yùn)算可以提取出載體的加速度，進(jìn)而計(jì)算出載體的速度、位置等信息。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)早期只有平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，直到 20 世紀(jì) 70 年代，才出現(xiàn)了捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。 哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 2 圖 平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理框圖 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)： 將陀螺儀和加速度計(jì)直接安裝在運(yùn)動(dòng)載體上，利用數(shù)學(xué)平臺(tái)對(duì)導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。 圖 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理框圖 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)因?yàn)槭∪チ藱C(jī)電式的導(dǎo)航平臺(tái)，從而使整個(gè)系統(tǒng)的體積、重 量和成本大大的降低 ；慣性原件更加 便于安裝和維護(hù)； 加速度計(jì) 可以給出載體軸向的線加速度和 陀螺儀可以給出 角速度 。 但是也不能說捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)就取代了平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是精度高，高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)，如艦船的導(dǎo)航仍然多采用 平臺(tái)式 慣性導(dǎo)航系統(tǒng) ； 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)多用于長(zhǎng)時(shí)間工作、對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求比較高或者對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)體積有要求情況中，還有些時(shí)候一個(gè)載體上同時(shí)使用平 臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，以滿足特殊的工作環(huán)境和性能 要求。 哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 3 無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng) 無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)（ GFSINS） 就是 指 慣性原件只有加速度，舍棄陀螺儀，從加速度計(jì)測(cè)量的比力中解算出載體的角速度信息的系統(tǒng) [4]。通常情況下，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中都是采用陀螺儀測(cè)量載體的角速度信息，采用高性能陀螺儀可以獲得很高的導(dǎo)航精度，但是這需要很高的成本，而且當(dāng)載體具有很大的線加速度或者很大的角速度時(shí)，需要陀螺承受很大的沖擊， 而陀螺儀最大的弱點(diǎn)就是抗沖擊能力差 。 因此無陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相對(duì)于有陀螺的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大、可靠性高、成本低、使用壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。 利用加速度計(jì)代替陀螺儀實(shí)現(xiàn)角速度的測(cè)量思想是由國(guó)外最先論證 的。 如何采用加速度計(jì)測(cè)量角加速度的原理第一次被 論述是 Victor 在 1962 年提出來的 ，他還 提出了一種加速度計(jì)簡(jiǎn)單 的編排 方案。 舍棄陀螺 而 只采用加速度計(jì)測(cè)量載體角速度的想法 是 DiNapoli 于 1965 年在他的碩士論文中提出的 。同年， 論述了通過安裝在以穩(wěn)定速度旋轉(zhuǎn)的圓盤上的線性加速度計(jì)測(cè)量載體角速度和線加速度方法的數(shù)學(xué)原理 [5]。利用線加速度計(jì)測(cè)量載體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的想法 在 1967 年被 Alfred 提出 ， 他還 提出了多種加速度計(jì)的配置方案。 1975 年， 等人提出了 9 加速度計(jì)的力學(xué)編排方案。1982 年， Shmuel 在 總結(jié) 了前幾個(gè)人的 研究結(jié)果 基礎(chǔ)上 ，研究出了借助于旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)加速度計(jì)三元組組成無陀螺的慣性測(cè)量組件，并給出了如何從加速度計(jì)輸出的比力信息中解算出線加速度和角加速度的方法。 1991 年，MarceloC. Algrain 認(rèn)為 要想 測(cè)量物體的線加速度和角加速度最少需要六個(gè)加速度計(jì)。 1994 年 Jeng Heng Chen 發(fā)表了一種新的使用六個(gè)加速度的無陀螺慣導(dǎo)設(shè)計(jì) 方案。 1999 年 Lee 在 Chen 的方案的基礎(chǔ)上有提出了使用六個(gè)加速度計(jì) 測(cè)量物體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的解法，并將卡爾曼濾波應(yīng)用在其導(dǎo)航系統(tǒng)中。 2021 年， Chin Woo 給出了一個(gè)決定加速度計(jì)配置方式是否可行的充分條件。 2021 年， Lee 又對(duì)其濾波算法進(jìn)行了改進(jìn) [6]。我國(guó)最早關(guān)于無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng) 的文章是在1997 年，如哈爾濱工程大學(xué)的馬 澍 田教授撰寫的就加速度計(jì)無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用于魚雷制導(dǎo)的研究報(bào)告。雖然無陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提出了很多年，但是由于早期的加速度計(jì)性能不夠好，因此一直沒有得到廣泛的重視， 但 隨著各種新型加速度計(jì)的出現(xiàn)，加速度計(jì)的精度也取得了迅猛的發(fā)展，目前加速度計(jì)的分辨率 已經(jīng)達(dá)到了 10 6? g，斯坦福大學(xué)和耶魯大學(xué)實(shí)驗(yàn)室制造的原子干涉加速度計(jì)分辨率已經(jīng)達(dá)到了 10 10? g，而且隨著技術(shù)的更新，加速度計(jì)的成本也越來越低 [7]。 所以無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)越來越受到國(guó)內(nèi)外專家的重視。 導(dǎo)航計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)介 最初的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方案是采用模擬電路搭建專用計(jì)算機(jī)，這種導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的體積和功耗都比較大，處理能力也不是十分理 想 ，只能用于一些平臺(tái)哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 4 級(jí)的慣導(dǎo)系統(tǒng)解算導(dǎo)航參數(shù) 。然 而捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)因?yàn)樯釛壛宋锢砥脚_(tái)所以解算任務(wù)要 更加龐大，尤其是無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng) 對(duì)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力要求更高。 隨后很長(zhǎng)一段時(shí)間采用 PC 機(jī)及其體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，雖然可以滿 足對(duì)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力的要求，但是存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和功耗大等 缺點(diǎn)。后來出現(xiàn)了小型的工業(yè)計(jì)算機(jī)，如 PC/104， PC/104 是采用 X86 架構(gòu)處理器在工業(yè)控制領(lǐng)域中的典型應(yīng)用， 基于 PC/104 的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的電路設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，軟件開發(fā)也比較便捷，相關(guān)應(yīng)用技術(shù)相對(duì)也比較成熟， 從 90 年代至今被 廣泛的應(yīng)用在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中 [14]?；?PC/104 的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)雖然在 體積和功耗方面有所 改善 ， 但還不夠理想，而且通常需要多層擴(kuò)展板來負(fù)責(zé)模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和接口通信等工作 ，形狀大小一旦確定很難修改，中斷響應(yīng)速度也 不夠快，綜上可以看出 ， 基于 PC/104 設(shè)計(jì)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的方案在微型飛行器的上的應(yīng)用就受到了 很大的 局限。 近期導(dǎo)航計(jì)算機(jī)比較主流的設(shè)計(jì)方案是采用 DSP+MCU/FPGA/CPLD 的形式， 優(yōu)點(diǎn)是采用嵌入式技術(shù) 減小了 系統(tǒng)的 體積和降低了功