基于捷聯慣性導航系統姿態實時性的研究
2020年電子技術應用第11期
王建中
重慶青年職業技術學院 人工智能學院，重慶400712
摘要： 針對激光陀螺捷聯慣性導航系統信號采集、姿態解算、數據輸出實時性問題，分析三軸激光陀螺儀和三軸加速度計傳感器慣性組件IMU、里程計、高度計、GPS/北斗等數據輸入和輸出。數據交換一般采用RS-232串行接口、CAN總線接口，難以滿足傳感器高速實時采樣。因此，提出一種采用FPGA雙口RAM+雙DSP高速數據存取方式，按照時鐘同步周期分別實時輸出導航數據，可有效解決數據發送、處理、傳輸到各設備之間的瓶頸問題，最高輸出頻姿態率可達100 kHz~2 000 kHz，實現捷聯導航系統姿態狀態快速反應能力。實驗和仿真表明，該方法可以大大提高系統的周期解算能力，提高載體的機動性能。
中圖分類號： TN384
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200459
中文引用格式： 王建中. 基于捷聯慣性導航系統姿態實時性的研究[J].電子技術應用，2020，46(11)：23-29.
英文引用格式： Wang Jianzhong. Research on real-time attitude of strapdown inertial navigation system[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(11)：23-29.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200459
中文引用格式： 王建中. 基于捷聯慣性導航系統姿態實時性的研究[J].電子技術應用，2020，46(11)：23-29.
英文引用格式： Wang Jianzhong. Research on real-time attitude of strapdown inertial navigation system[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(11)：23-29.
Research on real-time attitude of strapdown inertial navigation system
Wang Jianzhong
Artificial Intelligence Department，Chongqing Youth Vocational & Technical College，Chongqing 400712，China
Abstract： Aiming at the real-time problems of signal acquisition, attitude calculation and data output of laser gyro strapdown inertial navigation system, the data input and output of IMU, odometer, altimeter and GPS/BeiDou are analyzed. RS-232 serial interface and CAN bus interface are generally used for data exchange, which are difficult to meet the high-speed real-time sampling of sensors. The paper puts forward a high-speed data access mode of FPGA dual port RAM+dual DSP to output navigation data in real time according to the clock synchronization cycle, which can effectively solve the bottleneck problem of data transmission, processing and transmission to various devices. The highest output frequency attitude rate can reach 100 kHz~2 000 kHz, and realize the rapid response ability of attitude state of strapdown navigation system. Experiments and simulations show that this method can greatly improve the cycle calculation ability of the system and the maneuverability of the carrier.
Key words : inertial measurement unit；laser gyro；accelerometer；sampling frequency；FPGA
0 引言
捷聯慣性導航系統是一種隱蔽性好，工作環境不易受外界干擾和影響的導航系統，不易受氣象條件的限制，具有自主性、隱蔽性、實時性和全天候等優點[1]，能提供載體精確的位置坐標、姿態、速度和行駛里程等信息。系統由三軸陀螺儀和三軸加速度計構成的慣性測量單元(IMU)、里程計、高度計、北斗/GPS等組成[2]，其數據的采集周期、輸入、輸出、解算結果和應用非常復雜，實時性難以保證，不能快速獲取系統的運動狀態數據。
捷聯慣性導航系統數據收發一般采用多組件串行接口輸入輸出數據傳輸方法RS-232，最高速度能達到115 200 b/s。CAN總線速率最高傳輸速率可達1 Mb/s。數據接收時使用空閑中斷觸發接收，待解算完成后發送查詢線路狀態空閑后發送數據。按照以上兩種傳統方式，很難快速解算和輸出姿態實時數據，更不能接收其他多個傳感器數據、采集輸入數據和輸出數據[3]。因此，本文利用一種時鐘同步信號與車載系統時鐘同步，從而確保捷聯慣性導航系統姿態和車載系統時鐘同步，能夠減少捷聯慣性導航系統各組件數據傳輸的時間；輸入輸出采用FPGA雙口RAM+雙DSP高速數據存取方式[4]，解決捷聯慣性導航系統收發數據高速實時性困難，提高姿態系統的動態適應能力。
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作者信息:
王建中
(重慶青年職業技術學院 人工智能學院，重慶400712)
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