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基于MEMS传感器的姿态解算的FPGA实现

基于MEMS传感器的姿态解算的FPGA实现

作     者:廖文平 

作者单位:长沙理工大学 

学位级别:硕士

导师姓名:贺慧勇

授予年度:2015年

学科分类:080902[工学-电路与系统] 080704[工学-流体机械及工程] 0809[工学-电子科学与技术(可授工学、理学学位)] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 

主      题:姿态解算 MEMS惯性器件 互补滤波 FPGA 四元数 

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。

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