基于DSP的平流层验证飞艇组合导航体系计划

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基于DSP的平流层验证飞艇组合导航体系计划

发布日期：2011-04-19

平流层空域处于飞行高度最高的飞机和轨道最低的卫星之间，加之其具有精良的电磁特性和非常稳固的景象条件，因此人们不绝地实行利用平流层飞艇作为可长期驻空的平台举行通讯、对地观察、国土资源监测和预警等。由于飞艇具有独特的上风：可直升、可永劫间滞空，且具有较大的有效载荷本领和低能耗等特点，被人们称为"多成果航空器"[1]，因此天下列都城在飞艇方面开展了多种多样的研究。

鉴于平流层高空飞艇组合导航体系计划的巨大性，工程中利用低空飞艇对其举行验证阐发。由于低空飞艇所提供的升力有限，因此组合导航体系的小型化及经济化势在必行。针对这种近况，本文计划了基于DSP+MCU的专用导航谋略机。小型验证飞艇飞行试验验证了该体系可餍足及时性和精度的请求，为平流层飞艇的研制打下了底子。

1 组合导航体系的基源头根本理

1.1 导航器件的特性

惯性导航体系是一种谋略机技能和惯性丈量装置组合的自主式空间基准保持体系，在航天、航空、帆海及陆地车辆有着遍及的应用。根据布局可将其分为两大类：平台式和捷联式。捷联式惯导体系将惯性丈量元件（陀螺和加快度计）固连在载体上，省去了传统的机电平台，具有布局大略、体积小、重量轻、本钱低得好处[2]。此中，微惯性丈量组合（MIMU）与传统的惯性组合相比由于具有尺寸小，重量轻、本钱低、功耗小、寿命长、可靠性高和动态性能好等一系列无法相比的好处，因此其应用远景也越来越广阔，是当今惯性技能生长的一个紧张方向[3]。基于本体系的详细应用范畴，本组合导航体系选用捷联衰落惯性丈量组合（SMIMU）。

GPS具有定位精度高、代价低廉等上风，在很多范畴得到了遍及的应用。先容其事变原理的文献[4]比较多，在此不再赘述。

1.2 组合体系的状态方程

选取状态变量为惯导体系的各偏差项，体系采取东北天为其导航坐标系，通过对体系的性能和种种偏差源的阐发，得到组合导航体系的状态方程为：

1.3 量测方程

在位置、速率组合模式中有两组量测值：惯导体系给出的经度、纬度、高度信息和GPS吸取机给出的相应信息的差值；两个体系给出的速率差值。利用这两组差值可得SMINS/GPS组合的量测方程为：

Z（t）＝ H（t）X（t）＋V（t）（2）

（2）式中，观察矢量Z＝[δve，δvn，δvu，δL，δλ，δh]T，观察噪声矢量为V＝[Vvx，Vvy，Vvz，VL，Vλ，Vh]T。

实际载体中，将组合导航体系丈量得到的种种参量送入导航谋略机，颠末肯定的数据融合后对载体举行相应的控制。

2 体系硬件计划

长期以来捷联导航谋略机不停采取X86为内核的谋略机布局，这不但使得体系布局巨大，体积巨大、功耗较高，并且步伐服从和直接操纵硬件的机动性都受到影响。因此本体系中采取的运算精度高、接口资源丰富、本钱低廉的高速DSP作为内核运算单位。

2.1 重要硬件特性

本体系导航谋略任务由高速DSP完成，型号选用TI公司最新推出的32位定点DSP控制器--TMS320F2812芯片。该处理惩罚器采取步伐与数据疏散的哈佛布局，提拔了数据吞吐量。其频率高达150MHz，大大进步了控制体系的控制精度及核芯片处理惩罚本领；集成了128KB的闪存、4KB的引导ROM及2KB的OTP ROM，可用于软件开辟及对现场软件举行升级时的大略再编程；优化过的变乱办理器包括脉冲宽度调制（PWM）孕育产生器、可编程通用计时器以及捕获译码接口等；片上标准通讯接口可为主机、测试配置、表现器及其他组件提供简便的通讯端口[5]。这些特性使得TMS320F2812非常得当谋略量大、及时性强、对谋略精度请求高、接口巨大的处理惩罚环境。

利用MCU完成数据征求，接口扩展、电源开辟和人机交互的成果，型号选为Cygnal公司的C8051F021。该芯片采取流水线布局，大大进步了指令运行速率，最大速率可达25MIPS。其含有丰富的数字外设，包括4个8位I/O端口，可同时利用的硬件包括SMBus、SPI和两个加强型UART串口，5个通用的16位计数器/定时器，专用的看门狗定时器。该芯片的时钟频率到达25MHz。作为导航谋略机的从处理惩罚器，该芯片可以或许方便地扩展接口，及时征求各路传感器信号。

2.2 基于DSP的体系硬件构成

基于DSP的硬件布局如图1所示。惯性丈量元件包括3个陀螺仪和3个加快度计。TMS320F2812带有12位流水线的模/数转换器（ADC），模/数转换单位的模仿电路包括前向模仿多路复用开关（MUXs）、采样/保持（S/H）电路、电压参考以及其他的模仿帮助电路。其模/数转换模块（ADC）有16个通道，可以配置为两个独立的8通道模块，分别办事于变乱办理器A和B。因此陀螺仪与加快度计丈量得到的角速率与加快度信息不必再通过外围专门的模/数转换电路，而是颠末肯定的信号预处理惩罚之后直接送入DSP。如许就简化了体系的硬件重量和巨大度，进步了体系的可靠性。GPS征求到的位置、姿态等数字量信息可以通过RS232串口送入DSP。

TMS320F2812所带的SPI（串行外设接口）是一个高速同步的串行输入/输出口。SPI的通讯速率和通讯数据长度都是可以编程的，它可以方便地用于和其他处理惩罚器之间的通讯。

大量的导航谋略由TMS320F2812完成，重要包括惯性元件的偏差补偿、初始对准、姿态矩阵谋略、四元数谋略、等效转动矢量谋略、速率位置谋略和姿态谋略、GPS数据与惯性数据的融合等。谋略得到的飞艇姿态、位置等信息分别被送往数传电台、电动机和MCU等装置举行相应的操纵。

C8051F021重要完成底层控制。根据TMS320F2812传入的数据，对舵机和能源举行相应的控制；并且将及时导航数据（速率、位置、姿态）送入液晶表现器，方便人机交互。对C8051F021的外部I/O端口举行接口扩展，完成相应的控制任务。

3 体系软件计划

以第1节中先容的INS体系的偏差方程为状态方程，以GPS和INS的输出偏差为观丈量，通过肯定的算法对状态偏差作出最优预计，然后对体系举行校正，进步体系的导航精度。当代的导航算法广泛采取卡尔曼滤波改造算法和神经网络算法，参考文献[6]中举行了细致先容。

软件计划所采取的语言一样平常为C语言或汇编语言。在对及时性请求较低的场合，一样平常采取C语言编程，而在对及时性请求较高大概频率与外设互换信息的场合，则利用汇编语言举行编程。本体系软件流程图如图2所示。

4 试飞实行

利用某小型平流层验证飞艇举行了试飞实行，其飞行试验数据表示图如图3所示。图3（a）为飞艇腾飞前的准备阶段以及飞行进程中的姿态角信息表示图。由图可见丈量体系征求到9300个点左右，其在俯仰、转动角中有少量噪声存在，这在体系偏差的容许范畴内。点位为9200时的姿态角的跳变是由于艇降落时的非安稳性而出现姿态的较大变动。偏航角信息中角度的跳变是由于偏航角的范畴为0-360度，当角度从靠近360度连续增长时，角度就会跳转到0度相近，此时便会产生如图3（a）第三个小图中的跳变了。

为了阐发题目的方便，将飞行进程中的末了880个点提取出来。图3（b）为这一阶段的载体姿态角信息表示图，图3（c）为这一进程映射的飞艇飞行蹊径图（出发点为A、尽头为B）。由图中可以看出飞艇的转动角变革量很小，这切合实际环境；而偏航角的变革则可以明显地表现出飞艇飞行航向的变革。图中对末了阶段的不稳固进程也有非常正确的形貌。