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无人飞行器组合导航系统设计与实现研究

蔡劲伟  
【摘要】:无人飞行器对导航系统的要求主要有:体积小、重量轻、功耗小、精度高以及运算速度快等。目前,导航系统的种类繁多,其中捷联式惯性导航系统以其完全自主性、体积小、重量轻和成本低等优点得到了广泛的应用。但由于其误差随时间而不断积累的缺陷,难以长时间单独工作。本文中对捷联惯导与GPS的组合导航系统进行了研究,设计了基于卡尔曼滤波器的组合导航信息融合算法,并在Matlab/Simulink环境下,分别对纯捷联惯导系统和组合导航系统进行了仿真分析,同时验证了组合导航算法的可行性。 本文研究了组合导航系统的两种实现方案,即FPGA方案和DSP+ARM方案。其中,前者利用FPGA的灵活可定制性,以及强大的运算能力,设计了基于FPGA的双Nios II处理器架构的导航计算机,其中一个Nios II处理器负责数据采集、数据传输以及传感器控制,另一个则负责导航运算。DSP+ARM方案同样采用双CPU架构,采用具有强大运算能力的浮点型DSP以及基于Cortex-M3处理器的STM32芯片,能够良好的满足导航系统的应用需求。同时,本文还详细讨论了基于DSP+ARM的导航系统硬件设计方案,以及模块电路的设计与实现。 本文最后对该导航系统进行了各项测试实验。在静态条件下,分别测试纯捷联惯导系统与组合导航系统,并对比分析实验数据。同时,利用转台测试导航系统的姿态角信息。为了进一步验证导航系统的动态性能,进行了动态车载实验。通过多项实验测试,验证了该套导航系统的可靠性。


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