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《长沙理工大学》 2015年
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基于MEMS传感器的姿态解算的FPGA实现

廖文平  
【摘要】:目前的姿态测量系统中的姿态解算大部分基本上是使用单片机、ARM、DSP、或者FPGA里的软核处理器及硬核处理器等来实现,在处理的速度上受到一定的限制,一些处理过程不能同时进行,影响到姿态解算的速度。本文主要对姿态解算的全数字逻辑实现方式进行了研究,提出了一种利用FPGA来进行姿态解算的实现方案,希望可以提高姿态解算的处理速度及数据的可靠性。本设计利用FPGA的硬件结构,实现并行和流水线等结构;根据FPGA的数字逻辑特性,选择了比较合适的姿态解算实现方式。主要包括:传感器数据采集电路部分、信息融合部分、姿态解算部分、上位机通信等部分。通过对比互补滤波和卡尔曼滤波两种数据融合方法的优缺点,并根据FPGA的数字逻辑的特点选择了互补滤波的滤波方法;采用流水线的结构来实现CORDIC算法,提高了计算速度;确定了使用四元数来实现姿态解算,提高了解算的准确性和开发效率;结合互补滤波算法和四元数法对传感器数据进行了处理并实现FPGA与上位机通信。通过逻辑分析仪和串口调试助手等工具对设计的正确性进行了验证、测试,结果表明本设计能基本完成姿态解算的目标,有一定的理论和实践价值。
【关键词】:姿态解算 MEMS惯性器件 互补滤波 FPGA 四元数
【学位授予单位】:长沙理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN791;TH-39;TP212
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-9
  • 第一章 绪论9-14
  • 1.1 课题研究背景及意义9-10
  • 1.2 微机电技术及现状10-11
  • 1.3 姿态解算研究发展状况11-12
  • 1.4 论文研究内容和主要工作12-14
  • 第二章 姿态解算算法14-24
  • 2.1 常见坐标系14-15
  • 2.1.1 地理坐标系14
  • 2.1.2 平台坐标系14
  • 2.1.3 载体坐标系14-15
  • 2.2 载体姿态角的定义15-16
  • 2.3 姿态矩阵16-18
  • 2.4 姿态解算的方法18-23
  • 2.4.1 欧拉角法18
  • 2.4.2 方向余弦法18-21
  • 2.4.3 四元数法21-22
  • 2.4.4 四元数和姿态解算22-23
  • 2.5 姿态解算方法的确定23
  • 2.6 本章小结23-24
  • 第三章 系统总体设计24-31
  • 3.1 可编程逻辑器件概述24-25
  • 3.2 FPGA的结构25
  • 3.3 面向FPGA的开发流程25-26
  • 3.4 FPGA与其它芯片的优劣比较26-27
  • 3.4.1 FPGA与CPLD的区别26-27
  • 3.4.2 FPGA与ASIC比较27
  • 3.5 系统设计方案27-30
  • 3.5.1 系统设计框图27-28
  • 3.5.2 主要元器件介绍28-30
  • 3.6 本章小结30-31
  • 第四章 CORDIC算法原理及应用31-45
  • 4.1 CORDIC算法原理31-36
  • 4.1.1 CORDIC算法的旋转模式32-35
  • 4.1.2 CORDIC算法的矢量模式35-36
  • 4.2 CORDIC算法实现超越函数的计算36-37
  • 4.3 CORDIC算法的FPGA实现及仿真37-43
  • 4.4 本章小结43-45
  • 第五章 传感器输出信号的处理45-52
  • 5.1 惯性传感器工作原理45-47
  • 5.1.1 加速度传感器工作原理45-46
  • 5.1.2 陀螺仪工作原理46-47
  • 5.2 传感器输出信号的处理47-51
  • 5.2.1 信息融合47
  • 5.2.2 卡尔曼滤波47-49
  • 5.2.3 互补滤波49-51
  • 5.3 本章小结51-52
  • 第六章 基于FPGA的姿态解算的实现52-73
  • 6.1 载体信息的接收52-58
  • 6.1.1 I2C总线简介52-54
  • 6.1.2 MPU6050传感器数据读取的FPGA实现54-58
  • 6.2 姿态解算的实现58-72
  • 6.2.1 姿态解算的流程58-61
  • 6.2.2 姿态解算的FPGA实现61-67
  • 6.2.3 姿态信息的发送67-69
  • 6.2.4 姿态解算的上位机显示69-72
  • 6.3 本章小结72-73
  • 结论73-74
  • 参考文献74-77
  • 致谢77-78
  • 附录A (攻读学位期间发表的论文)78

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