一種于FPGA的高速導航解算系統設計與實(shí)現

　　圖2為導航解算FPGA功能仿真時(shí)序圖，以此估算模塊計算所消耗的時(shí)間。一次姿態(tài)解算需要230個(gè)時(shí)鐘周期，一次導航解算需要980個(gè)時(shí)鐘周期，那么在50 MHz的系統時(shí)鐘下，姿態(tài)解算需時(shí)4.7微秒，導航解算需時(shí)20微秒。導航解算系統功能仿真結果與計算機計算結果進(jìn)行對比，仿真步長(cháng)為0.1秒，仿真輸入參數如表2所示，計算結果如表3所示，通過(guò)比對可以發(fā)現，FPGA的計算結果與MATLAB計算結果沒(méi)有偏差，說(shuō)明導航解算系統能夠正確地進(jìn)行導航信息的解算。

　　3 實(shí)驗結果與誤差分析

　　在一輛普通轎車(chē)上進(jìn)行導航實(shí)驗，系統的搭建如圖1和圖3所示。系統的核心是一塊承擔數據處理任務(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航系統的功耗和體積。所以整個(gè)導航系統的結構是簡(jiǎn)單和小巧的而且節能的。

　　實(shí)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據和三軸加速度計傳感器數據。位置曲線(xiàn)如圖6所示，實(shí)線(xiàn)是導航解算系統解算的位置信息，虛線(xiàn)是GPS獲得的實(shí)際位置信息?？梢园l(fā)現導航解算系統良好地跟蹤了實(shí)際位置變化趨勢，但是隨著(zhù)時(shí)間的推移，導航解算系統解算出的位置信息與實(shí)際位置信息偏差越來(lái)越大。

　　導航解算系統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(huì )在姿態(tài)計算和速度計算環(huán)節兩次引入積累誤差。在實(shí)際使用中，載體使用的戰術(shù)級高精度IMU，在一定的使用時(shí)間內，導航系統不會(huì )產(chǎn)生很大的積累誤差。除此之外，發(fā)揮本系統動(dòng)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(guò)進(jìn)行多種傳感器的信息融合也可以收斂誤差。

　　4 結論

　　針對現有小型無(wú)人機導航解算系統解算速度慢、多處理器臃腫可靠性差的缺點(diǎn)，文中提出了一種并行化的導航解算方法，并搭建了一種僅使用單一FPGA芯片為數據處理核心的小型高速導航解算系統，功能仿真驗證了導航解算的高速性和準確性。車(chē)載實(shí)驗驗證了系統可以在實(shí)際中完成導航信息的解算工作。根據一次結算消耗時(shí)間可知系統理論擁有50 000 Hz的導航解算能力，在實(shí)際使用中，輔以足夠精度的高速I(mǎi)MU，系統將會(huì )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(wú)人機導航系統設計領(lǐng)域有重要借鑒意義。