水下组合系统导航数据采集平台设计

论文总字数：26116字

摘 要

单一的导航会因为动态特性而产生误差的积累，对于长时间的导航数据有误差影响。随着现代科学技术的发展，对水下导航在精度和可靠性方面都提出了更高的要求，仅靠单一惯性导航系统很难满足这些要求，因此需要形成以惯性导航系统为主导航系统、其他导航系统为辅助导航系统的组合导航系统。本文针对水下组合导航系统，进行了数据采集平台的设计，包括对导航数据的采集和存储。论文主要实现了如下内容：

1. 分析了水下组合导航的需求，选定FPGA MCU DSP架构方案，另外做了惯性器件和GPS接收机的选型。
2. 在FPGA的硬件框架下实现GRA、GPS、IMU多传感器的数据同步采集。
3. 利用文件系统原理，在FPGA和STM32上分别用VERILOG语言和C语言实现数据的实时存储。

本论文的成果对水下组合导航的数据采集和存储提供了理论和技术保证，具有一定的实用价值。

关键词：水下组合导航，DSP，FPGA，MCU

Abstract

A single navigation will produce error accumulation because of dynamic characteristics, which has an error effect on long-term navigation data. With the development of modern science and technology, higher requirements have been put forward for underwater navigation in terms of accuracy and reliability. It is difficult to meet these requirements only by a single inertial navigation system, so it is necessary to form an inertial navigation system as the main navigation system. Other navigation systems are integrated navigation systems that assist navigation systems. In this paper, the data acquisition platform is designed for underwater integrated navigation system, including the acquisition and storage of navigation data. The main contents of this paper are as follows:

1、The requirements of underwater integrated navigation are analyzed, the FPGA MCU DSP architecture scheme is selected, and the inertial devices and GPS receiver are selected.

2、The synchronous data acquisition of GRA,GPS,IMU multi-sensor is realized in the hardware framework of FPGA.

3、Based on the principle of file system, the real-time storage of data is realized by Verilog language and C language on FPGA and STM32, respectively.

The results of this paper provide theoretical and technical guarantee for data acquisition and storage of underwater integrated navigation, and have certain practical value.

Keywords: underwater combined navigation, DSP, FPGA, MCU

目 录

第一章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 研究目的 3

1.3.1 数据采集 3

1.3.2 数据存储 3

1.4 论文组织安排 4

第二章 系统总体设计 5

第三章 系统硬件设计 8

3.1 FPGA功能和选型 8

3.1.1 FPGA的功能实现 8

3.1.2 FPGA选型 8

3.2 FPGA各功能模块 9

3.2.1 时钟模块 9

3.2.2 串口模块 9

3.2.3 同步接收模块 11

3.2.4 数据流控制模块 14

3.3 DSP选型 17

3.4 惯性元件 17

3.4.1 惯性元件选型 17

3.4.2 IIC通讯协议 18

3.5 MCU功能和选型 19

第四章 系统软件设计 21

4.1 软件设计思路 21

4.2 MCU设计 21

4.2.1 MCU启动过程 21

4.2.2 文件管理模块设计 22

4.3 DSP软件设计 23

4.3.1 DSP时钟初始化 23

4.3.2 EMIFA接口配置 25

4.4 导航计算机上位机软件设计 28

第五章 系统实验与结果分析 30

5.1 串口性能测试 30

5.2 数据同步性能测试 31

5.3 DSP功能验证 31

第六章 总结和展望 33

参考文献 34

致 谢 35

1. 绪论

1.1 选题背景

导航技术在许多方面都有应用，因而其精确性也有着越来越高的要求。然而单一的导航系统时常会出现由于动态特性而产生的误差积累，随着时间的增加，其精确性降低，不利于导航系统的数据采集。例如，若导航参数随时间变化，GPS会产生相位差的变化，定位性能降低。如果使用单一的惯性导航系统，则会出现误差随时间累积增长的问题，在无人机的长航时工作中会造成不利影响。因此，采用INS/GPS组合导航系统正好可以克服二者单独工作时的缺点，在水下GPS信号缺失的情况下，可以采用重力仪进行辅助惯导系统实现组合导航的功能。

目前测量重力场的高精度重力仪已取得极大的进展，重力场信息测量精度的提高使得重力匹配惯性导航技术的定位越来越精确，该导航技术也广泛应用在战略核潜艇的导航上[1]。

惯性导航的原理依据是牛顿力学原理，通过各种惯性传感器器件输出的载体的加速度信息、速度信息、位移信息、航向信息等，并利用内部的计算算法得到惯性坐标系中的相对位置。由于惯性传感器器件不需要与外界进行任何信息交换，所以惯性导航可以完全自主地完成导航任务。惯性导航系统采用精密惯性元件可以获得相当高的导航精度，已成为导航系统的一个重要组成部分。但是，惯性导航系统的最大缺点是具有误差累积效应，其定位精度随着时间迅速下降，而其优点是隐蔽性好，短期精度高，工作不受环境条件的影响，这一特点使得它在航空、航天以及航海中都得到了广泛的应用。惯性导航从结构上分为平台式(INS)、捷联式(SINS)两种。

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