一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置，基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置在北斗/INS组合导航系统的基础上，通过增加三轴磁力计、气压计及激光测距仪等传感器，采用分布式卡尔曼滤波器对采集数据进行滤波处理，以提高该组合导航装置的导航精度；通过设计应对不同外界环境的状态选择滤波器对解码数据进行处理，并且通过RTOS进行实时操作，可以增强导航系统的实时性、可靠性和容错性能。本发明专利技术解决了现有技术中面对多传感器设备下数据处理速度慢、数据融合效率低下的问题，而且通过逻辑判断模块的设计，最终提高了导航装置的效率和精度。

A multi sensor fusion navigation device based on FPGA and RTOS

The invention discloses a multi sensor FPGA and RTOS fusion navigation device based on multi sensor FPGA and RTOS fusion navigation device based on Beidou integrated navigation system based on /INS, by adding three axis magnetometer, barometer and laser range finder sensor, using the data filtering distributed Calman filter, to improve the navigation accuracy of navigation device; through the design of the external environment condition with different filter on the decoded data processing, and through the RTOS real-time operation, can improve the navigation system of real-time, reliability and fault tolerance performance. The invention solves the problem of slow data processing and low data fusion efficiency under the multi-sensor device in the prior art, and improves the efficiency and accuracy of the navigation device ultimately through the design of the logic judgment module.

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置
本专利技术属于导航领域，尤其涉及一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置。
技术介绍
20世纪90年代初，美国国防部实验室理事联合会提出了“数据融合”的概念，是指将由不同传感器收集的数据，将其关联并融合，最后得到准确的目标识别、状态估计及威胁评估。而在传统的导航领域，传统的单一导航系统，其精度和可靠性无法满足复杂的战场环境，所以将不同种类的导航系统装配在统一平台协同工作实现更高效的导航定位系统成为人们关注的方向。组合导航系统也是一种多传感器信息融合系统，每个导航系统独立工作时有自身无法回避的缺陷，而对于组合导航系统，可以实现不同导航系统之间的优势互补，有助于提升动态定位精度，保证系统稳定运行，提高系统容错性。当今世界主流的组合导航系统有：GPS/INS、INS/天文导航、GPS/罗兰等等，而我国目前主推北斗导航系统，所以北斗/INS+其他传感器的组合导航系统拥有巨大的开拓空间。目前，导航计算机系统大部分采用了DSP技术，比较典型的方式是采用微控制器(MCU)作为主机完成数据采集与控制功能，采用DSP芯片完成信息处理功能的合理分配方式。而随着FPGA在数据处理方面的发展，越来越多的人开始采用FPGA来实现硬件设计，使得导航系统向微小型化、高性能化和低成本化方向不断发展。同时仅仅利用单芯片完成导航系统的设计，不仅缩短了设计周期，而且减少了设计者的开发难度。但是，以FPGA平台为导航计算机的组合导航系统在对传感器数据进行接收和解码时通常需要编写相应的代码而后交由CPU进行处理，从而导致了FPGA的整体执行效率降低。多传感器组合导航系统多采用分布式卡尔曼滤波器进行数据融合处理，但并未对传感器的使用环境进行关注，可能导致所采集数据由于外界使用环境的恶劣而影响到传感器的测量精度，从而影响滤波精度。所以，有必要根据外界使用环境的变化选择使用合适的传感器数据，最终使得滤波器的滤波精度得到保证。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是为了解决目前FPGA作为导航计算机在处理接收和解码传感器数据时会导致FPGA的整体执行效率降低的问题，并且消除由于未考虑传感器使用环境而对导航精度带来的潜在影响，本专利技术提供了一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置，包含数据接收模块、第一数据存储模块、状态选择滤波器模块、第二数据存储模块；其中，数据接收模块包含北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪以及分别与北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪一一对应连接的北斗IP核模块、IMUIP核模块、三轴磁力计IP核模块、气压计IP核模块、激光测距仪IP核模块；其中，数据接收模块，用于北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪数据的接收和解码；第一数据存储模块，用于存储由北斗IP核模块、IMUIP核模块、三轴磁力计IP核模块、气压计IP核模块、激光测距仪IP核模块解码完成后的数据；状态选择滤波器模块，用于根据实时高度确定相应的传感器使用策略，并对北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪解码完成后的数据进行局部最优估计，进而获取北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪状态向量的最优估计；第二数据存储模块，用于存储状态向量的最优估计，进而通过对载体的导航信息进行校正，获取最优导航信息。作为本专利技术一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置的进一步优选方案，北斗IP核模块、IMUIP核模块、三轴磁力计IP核模块、气压计IP核模块、激光测距仪IP核模块均通过运用VHDL语言编写。作为本专利技术一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置的进一步优选方案，所述状态选择滤波器模块包含分布式卡尔曼滤波器、逻辑判断模块；所述逻辑判断模块用于设定传感器转换策略；所述分布式卡尔曼滤波器用于结合逻辑判断模块输出结果对各传感器的解码数据进行处理。作为本专利技术一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置的进一步优选方案，所述第一数据存储模块和第二数据存储模块采用双端RAM。作为本专利技术一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置的进一步优选方案，所述北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪的状态向量具体如下：(1)六轴IMU惯性测量单元的状态向量为：其中，δL、δλ、δh分别为IMU测量的载体的纬度误差、经度误差和高度误差；δvE、δvN、δvU分别为东向、北向和垂向的速度误差；分别为东向、北向和垂向的姿态角误差；εx、εy、εz分别为x轴、y轴、z轴的陀螺漂移误差；分别为x轴、y轴、z轴的加速度计零位误差；(2)北斗接收机的状态向量为：其中，δLBD、δλBD、δhBD分别为北斗接收机测量的载体的纬度误差、经度误差和高度误差；分别为东向、北向和垂向的速度误差；δtu为北斗接收机的时钟偏差，δtr为北斗接收机的时钟随机漂移误差量；(3)三轴磁力计的状态向量为：其中，dyMGE、dyMGN、dyMGU为磁力计的磁东向、北向和垂向误差；(4)气压计的状态向量为：其中，dhB为气压计的高度测量误差；(5)激光测距仪的状态向量为：其中，dhLRF为激光测距仪的高度测量误差。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术通过运用VHDL语言编写关于数据接收和解码的IP核对传感器数据直接进行处理，不仅可以大大提高数据处理速度，降低CPU的负担，而且提高了导航装置的整体执行效率；2、本专利技术通过设计逻辑判断模块，改善了传感器的使用策略，为最终提高导航精度奠定了基础；3、本专利技术的状态选择滤波器通过逻辑判断模块与分布式卡尔曼滤波器的结合，不仅可以减少主滤波器的计算量，提高滤波速度，有利于算法的实时执行，而且通过选择子滤波器，可以将精度更高的子滤波器的数据输入主滤波器，最终提升导航装置的精度。附图说明图1是本专利技术的基于FPGA平台的多传感器组合导航装置原理图；图2是导航装置RTOS的任务流程图。图3是本专利技术的逻辑判断模块流程图；图4是本专利技术的状态选择滤波器的原理图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：如图1所示，本专利技术为一种基于FPGA平台的多传感器组合导航装置，主要由数据接收模块、数据存储模块及状态选择滤波器模块组成。其中数据接收模块包括北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪组成的传感器模块和对应的硬件IP核模块；数据存储模块主要存储各传感器的解码数据和经滤波器输出的已修正导航信息；状态选择滤波器则由逻辑判断模块和联邦滤波器组成。本专利技术采用FPGA为导航计算机，利用FPGA的可编程的特性对系统中的数据接收和解码模块的IP核进行独立的编写，从而提高整个组合导航系统的运算效率和利用率。导航装置RTOS的任务流程如图2所示，其中，需要并行执行的三个任务分别为数据采集任务、逻辑判断任务和滤波任务。数据采集任务中，各传感器通过载体的运动采集数据，FPGA导航计算机通过IP核完成数据的接收和解码，然后将解码数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置，其特征在于：包含数据接收模块、第一数据存储模块、状态选择滤波器模块、第二数据存储模块；其中，数据接收模块包含北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪以及分别与北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪一一对应连接的北斗IP核模块、IMU IP核模块、三轴磁力计IP核模块、气压计IP核模块、激光测距仪IP核模块；其中，数据接收模块，用于北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪数据的接收和解码；第一数据存储模块，用于存储由北斗IP核模块、IMU IP核模块、三轴磁力计IP核模块、气压计IP核模块、激光测距仪IP核模块解码完成后的数据；状态选择滤波器模块，用于根据实时高度确定相应的传感器使用策略，并对北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪解码完成后的数据进行局部最优估计，进而获取北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪状态向量的最优估计；第二数据存储模块，用于存储状态向量的最优估计，进而通过对载体的导航信息进行校正，获取最优导航信息。...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置，其特征在于：包含数据接收模块、第一数据存储模块、状态选择滤波器模块、第二数据存储模块；其中，数据接收模块包含北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪以及分别与北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪一一对应连接的北斗IP核模块、IMUIP核模块、三轴磁力计IP核模块、气压计IP核模块、激光测距仪IP核模块；其中，数据接收模块，用于北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪数据的接收和解码；第一数据存储模块，用于存储由北斗IP核模块、IMUIP核模块、三轴磁力计IP核模块、气压计IP核模块、激光测距仪IP核模块解码完成后的数据；状态选择滤波器模块，用于根据实时高度确定相应的传感器使用策略，并对北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪解码完成后的数据进行局部最优估计，进而获取北斗接收机、六轴IMU惯性测量单元、三轴磁力计、气压计和激光测距仪状态向量的最优估计；第二数据存储模块，用于存储状态向量的最优估计，进而通过对载体的导航信息进行校正，获取最优导航信息。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置，其特征在于，北斗IP核模块、IMUIP核模块、三轴磁力计IP核模块、气压计IP核模块、激光测距仪IP核模块均通过运用VHDL语言编写。3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA及RTOS的多传感器融合导航装置，其特征在于：所述状态选择滤波器模块包含分布式卡尔曼滤波器、逻辑判断模块；所述逻辑判断模块用于设定传感器转换策略；所述分布式卡尔曼滤波器用于结合逻辑判断模块输出结果对各传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海颖，任骅，李松，许蕾，陈志明，
申请(专利权)人：南京继航科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32