基于DSP的平流層驗證飛艇組合導航系統設計

平流層空域處于飛行高度最高的飛機和軌道最低的衛星之間，加之其具有良好的電磁特性和非常穩定的氣象條件，因此人們不斷地嘗試利用平流層飛艇作為可長(cháng)期駐空的平臺進(jìn)行通信、對地觀(guān)測、國土資源監測和預警等。由于飛艇具有獨特的優(yōu)勢：可直升、可長(cháng)時(shí)間滯空，且具有較大的有效載荷能力和低能耗等特點(diǎn)，被人們稱(chēng)為"多功能航空器"[1]，因此世界各國都在飛艇方面開(kāi)展了多種多樣的研究。

鑒于平流層高空飛艇組合導航系統設計的復雜性，工程中利用低空飛艇對其進(jìn)行驗證分析。由于低空飛艇所提供的升力有限，因此組合導航系統的小型化及經(jīng)濟化勢在必行。針對這種現狀，本文設計了基于dsp+mcu的專(zhuān)用導航計算機。小型驗證飛艇飛行試驗驗證了該系統可滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和精度的要求，為平流層飛艇的研制打下了基礎。

1 組合導航系統的基本原理

1.1 導航器件的特性

慣性導航系統是一種計算機技術(shù)和慣性測量裝置組合的自主式空間基準保持系統，在航天、航空、航海及陸地車(chē)輛有著(zhù)廣泛的應用。根據結構可將其分為兩大類(lèi)：平臺式和捷聯(lián)式。捷聯(lián)式慣導系統將慣性測量元件（陀螺和加速度計）固連在載體上，省去了傳統的機電平臺，具有結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、成本低得優(yōu)點(diǎn)[2]。其中，微慣性測量組合（mimu）與傳統的慣性組合相比由于具有尺寸小，重量輕、成本低、功耗小、壽命長(cháng)、可靠性高和動(dòng)態(tài)性能好等一系列無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此其應用前景也越來(lái)越廣闊，是當今慣性技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向[3]?；诒鞠到y的具體應用領(lǐng)域，本組合導航系統選用捷聯(lián)式微慣性測量組合（smimu）。

gps具有定位精度高、價(jià)格低廉等優(yōu)勢，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。介紹其工作原理的文獻[4]比較多，在此不再贅述。

1.2 組合系統的狀態(tài)方程

選取狀態(tài)變量為慣導系統的各誤差項，系統采用東北天為其導航坐標系，通過(guò)對系統的性能和各種誤差源的分析，得到組合導航系統的狀態(tài)方程為：

（2）式中，觀(guān)測矢量z＝[δve，δvn，δvu，δl，δλ，δh]t，觀(guān)測噪聲矢量為v＝[vvx，vvy，vvz，vl，vλ，vh]t。

實(shí)際載體中，將組合導航系統測量得到的各種參量送入導航計算機，經(jīng)過(guò)一定的數據融合后對載體進(jìn)行相應的控制。

2 系統硬件設計

長(cháng)期以來(lái)捷聯(lián)導航計算機一直采用x86為核心的計算機結構，這不僅使得系統結構復雜，體積龐大、功耗較高，并且程序效率和直接操作硬件的靈活性都受到影響。因此本系統中采用的運算精度高、接口資源豐富、成本低廉的高速dsp作為核心運算單元。

2.1 主要硬件特征

本系統導航計算任務(wù)由高速dsp完成，型號選用ti公司最新推出的32位定點(diǎn)dsp控制器--tms320f2812芯片。該處理器采用程序與數據分離的哈佛結構，提升了數據吞吐量。其頻率高達150mhz，大大提高了控制系統的控制精度及核芯片處理能力；集成了128kb的閃存、4kb的引導rom及2kb的otp rom，可用于軟件開(kāi)發(fā)及對現場(chǎng)軟件進(jìn)行升級時(shí)的簡(jiǎn)單再編程；優(yōu)化過(guò)的事件管理器包括脈沖寬度調制（pwm）產(chǎn)生器、可編程通用計時(shí)器以及捕捉譯碼接口等；片上標準通信接口可為主機、測試設備、顯示器及其他組件提供簡(jiǎn)便的通信端口[5]。這些特性使得tms320f2812非常適合計算量大、實(shí)時(shí)性強、對計算精度要求高、接口復雜的處理環(huán)境。

利用mcu完成數據采集，接口擴展、電源開(kāi)發(fā)和人機交互的功能，型號選為cygnal公司的c8051f021。該芯片采用流水線(xiàn)結構，大大提高了指令運行速度，最大速度可達25mips。其含有豐富的數字外設，包括4個(gè)8位i/o端口，可同時(shí)使用的硬件包括smbus、spi和兩個(gè)增強型uart串口，5個(gè)通用的16位計數器/定時(shí)器，專(zhuān)用的看門(mén)狗定時(shí)器。該芯片的時(shí)鐘頻率達到25mhz。作為導航計算機的從處理器，該芯片能夠方便地擴展接口，實(shí)時(shí)采集各路傳感器信號。

2.2 基于dsp的系統硬件組成

基于dsp的硬件結構如圖1所示。慣性測量元件包括3個(gè)陀螺儀和3個(gè)加速度計。tms320f2812帶有12位流水線(xiàn)的模/數轉換器（adc），模/數轉換單元的模擬電路包括前向模擬多路復用開(kāi)關(guān)（muxs）、采樣/保持（s/h）電路、電壓參考以及其他的模擬輔助電路。其模/數轉換模塊（adc）有16個(gè)通道，可以配置為兩個(gè)獨立的8通道模塊，分別服務(wù)于事件管理器a和b。因此陀螺儀與加速度計測量得到的角速度與加速度信息不必再通過(guò)外圍專(zhuān)門(mén)的模/數轉換電路，而是經(jīng)過(guò)一定的信號預處理之后直接送入dsp。這樣就簡(jiǎn)化了系統的硬件重量和復雜度，提高了系統的可靠性。gps采集到的位置、姿態(tài)等數字量信息可以通過(guò)rs232串口送入dsp。

c8051f021主要完成底層控制。根據tms320f2812傳入的數據，對舵機和能源進(jìn)行相應的控制；并且將實(shí)時(shí)導航數據（速度、位置、姿態(tài)）送入液晶顯示器，方便人機交互。對c8051f021的外部i/o端口進(jìn)行接口擴展，完成相應的控制任務(wù)。

3 系統軟件設計

以第1節中介紹的ins系統的誤差方程為狀態(tài)方程，以gps和ins的輸出誤差為觀(guān)測量，通過(guò)一定的算法對狀態(tài)誤差作出最優(yōu)估計，然后對系統進(jìn)行校正，提高系統的導航精度?，F代的導航算法普遍采用卡爾曼濾波改進(jìn)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法，參考文獻[6]中進(jìn)行了詳細介紹。

軟件設計所采用的語(yǔ)言一般為c語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言。在對實(shí)時(shí)性要求較低的場(chǎng)合，一般采用c語(yǔ)言編程，而在對實(shí)時(shí)性要求較高或者頻率與外設交換信息的場(chǎng)合，則利用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程。本系統軟件流程圖如圖2所示。

利用某小型平流層驗證飛艇進(jìn)行了試飛實(shí)驗，其飛行試驗數據示意圖如圖3所示。圖3（a）為飛艇起飛前的準備階段以及飛行過(guò)程中的姿態(tài)角信息示意圖。由圖可見(jiàn)測量系統采集到9300個(gè)點(diǎn)左右，其在俯仰、滾動(dòng)角中有少量噪聲存在，這在系統誤差的允許范圍內。點(diǎn)位為9200時(shí)的姿態(tài)角的跳變是由于艇降落時(shí)的非平穩性而出現姿態(tài)的較大變動(dòng)。偏航角信息中角度的跳變是因為偏航角的范圍為0-360度，當角度從接近360度繼續增加時(shí)，角度就會(huì )跳轉到0度附近，此時(shí)便會(huì )發(fā)生如圖3（a）第三個(gè)小圖中的跳變了。

為了分析問(wèn)題的方便，將飛行過(guò)程中的最后880個(gè)點(diǎn)提取出來(lái)。圖3（b）為這一階段的載體姿態(tài)角信息示意圖，圖3（c）為這一過(guò)程對應的飛艇飛行路線(xiàn)圖（起點(diǎn)為a、終點(diǎn)為b）。由圖中可以看出飛艇的滾動(dòng)角變化量很小，這符合實(shí)際情況；而偏航角的變化則可以明顯地體現出飛艇飛行航向的變化。圖中對最后階段的不穩定過(guò)程也有十分精確的描述。