基于捷联惯性导航系统姿态实时性的研究
2020年电子技术应用第11期
王建中
重庆青年职业技术学院 人工智能学院，重庆400712
摘要： 针对激光陀螺捷联惯性导航系统信号采集、姿态解算、数据输出实时性问题，分析三轴激光陀螺仪和三轴加速度计传感器惯性组件IMU、里程计、高度计、GPS/北斗等数据输入和输出。数据交换一般采用RS-232串行接口、CAN总线接口，难以满足传感器高速实时采样。因此，提出一种采用FPGA双口RAM+双DSP高速数据存取方式，按照时钟同步周期分别实时输出导航数据，可有效解决数据发送、处理、传输到各设备之间的瓶颈问题，最高输出频姿态率可达100 kHz~2 000 kHz，实现捷联导航系统姿态状态快速反应能力。实验和仿真表明，该方法可以大大提高系统的周期解算能力，提高载体的机动性能。
中图分类号： TN384
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200459
中文引用格式： 王建中. 基于捷联惯性导航系统姿态实时性的研究[J].电子技术应用，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.
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200459
中文引用格式： 王建中. 基于捷联惯性导航系统姿态实时性的研究[J].电子技术应用，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
捷联惯性导航系统是一种隐蔽性好，工作环境不易受外界干扰和影响的导航系统，不易受气象条件的限制，具有自主性、隐蔽性、实时性和全天候等优点[1]，能提供载体精确的位置坐标、姿态、速度和行驶里程等信息。系统由三轴陀螺仪和三轴加速度计构成的惯性测量单元(IMU)、里程计、高度计、北斗/GPS等组成[2]，其数据的采集周期、输入、输出、解算结果和应用非常复杂，实时性难以保证，不能快速获取系统的运动状态数据。
捷联惯性导航系统数据收发一般采用多组件串行接口输入输出数据传输方法RS-232，最高速度能达到115 200 b/s。CAN总线速率最高传输速率可达1 Mb/s。数据接收时使用空闲中断触发接收，待解算完成后发送查询线路状态空闲后发送数据。按照以上两种传统方式，很难快速解算和输出姿态实时数据，更不能接收其他多个传感器数据、采集输入数据和输出数据[3]。因此，本文利用一种时钟同步信号与车载系统时钟同步，从而确保捷联惯性导航系统姿态和车载系统时钟同步，能够减少捷联惯性导航系统各组件数据传输的时间；输入输出采用FPGA双口RAM+双DSP高速数据存取方式[4]，解决捷联惯性导航系统收发数据高速实时性困难，提高姿态系统的动态适应能力。
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作者信息:
王建中
(重庆青年职业技术学院 人工智能学院，重庆400712)
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