CN104197931A - 一种基于fpga的微型航姿系统三维显示装置 - Google Patents

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李相武
王瑛
李忠喜
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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的微型航姿系统三维显示，MEMS传感器的微型航姿系统是本设计的核心部分，微航姿系统主要负责对运载体的航向和姿态进行测量；基于FPGA的嵌入式系统实现对运载体的航向和姿态的脉冲信号的采集、计算、校正及显示；通过在NiosII内核上设置SPI控制内核实现MEMS传感器信息与FPGA之间的通信；经过数据采集和处理后，在液晶屏上实现对运载体航向、姿态信息的仪表化图形显示，绘制三维飞机模拟图形，同时给出实时的三维姿态动态显示。

Description

一种基于FPGA的微型航姿系统三维显示装置
所属技术领域
本发明涉及一种微型航姿系统的显示装置，尤其涉及一种基于FPGA的微型航姿系统三维显示装置。
背景技术
由于航天事业的重要性和特殊性，它一直是一个国家国防力量的重要组成部分。而对运载体的精确观测和控制则一直是航天研究中的重中之重。如何准确的对运载体的航向和姿态进行测量、数据反馈、信息显示以及控制都是一个重要的研究内容。近些年来，随着微惯性器件技术的不断成熟，有关由微惯性传感器构建的航向姿态系统的研究也越来越受到重视。微航姿系统以其低廉的价格、轻便灵巧、高度集成以及高可靠性等特点，在许多领域都有着十分广阔的应用前景。
微航姿系统的产生和发展将给通用航空、无人机、智能机器人等领域带来革命性的发展。航姿系统作为自动控制系统关键设备，在具备了微小型、低成本、高可靠性、高精度等特性后，无疑将给自动控制系统带来更好的发展前景。由于在传统的航姿测量系统中，仅仅是由机械式垂直陀螺仪和陀螺罗经实现系统控制，在可靠性以及精度方面有着明显的缺陷；随着惯性技术的发展，虽然出现了像基于激光陀螺的高精度、高可靠性的航姿测量系统，但是由于其成本较高，始终无法广泛的应用于通用航空、无人机等领域。近年来，随着微电子及半导体技术取得了突破性进展，随之出现了许许多多基于MEMS惯性器件、GPS或大气数据系统的组合式航姿测量系统；Archangel公司及Xsens公司曾推出一种基于三轴陀螺、加速度计、磁传感器的航姿测量系统，但是该公司并未公开技术细节。西方众多国家中，美国在有关MEMS惯性器件的研究以及由MEMS惯性器件组成的微型惯性导航系统技术方面的研究上始终处于世界领先地位，国内由于起步较晚，对该种类型的航姿测量系统并未有深入的研究，且尚未在应用上取得太多的成果。
发明内容
本发明的目的在于设计基于FPGA的微型航姿系统三维显示装置。本设计通过FPGA的嵌入式系统实现对运载体的航向和姿态的脉冲信号的采集、计算、校正及显示，再通过在NiosII内核上设置SPI控制内核实现MEMS传感器信息与FPGA之间的通信，经过数据采集和处理后，在液晶屏上实现对运载体航向、姿态信息的仪表化图形显示，绘制三维飞机模拟图形，同时给出实时的三维姿态动态显示。
本发明的目的是这样实现的：
本发明由惯性测量系统、微处理器和液晶屏组成。其中惯性测量系统ADIS16405输出的信息经过数字滤波、误差补偿后，得到三轴角速度、三轴加速度和三轴磁场强度三个数据值；FPGA电路板起到微处理器的作用，将三轴角速度、三轴加速度和三轴磁场强度三个数据值进行航姿解算，并结合Kalman滤波算法得到实时解算得到系统的俯仰角、横滚角及航向角，即实时的航姿信息；最后，将航姿信息输出到液晶显示屏并显示。
本发明的有益效果：
该发明以三维图像将运载体的航向和姿态等信息在液晶显示器上显示出来，更加直观形象，能够立体的显示微型航姿系统的动态航姿。
附图说明
图1为本发明的系统原理结构图。
图2为本发明的系统程序流程图。
图3为本发明的SDRAM电路原理图。
图4为FPGA电源、时钟、复位电路原理图。
图5为FPGA电源电路原理图。
图6为对外通信电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理和具体连接关系做更详细地描述：
结合图1，图1是本发明的系统原理结构图；本发明包括惯性测量系统、微处理器和液晶屏组成。本设计基于FPGA的系统，微惯性器件为三轴陀螺、三轴加速度计、三轴地磁，在微航姿系统的基础上，向液晶显示屏航姿信息的传送以及设计显示驱动电路来显示姿态角信息。
图2为本发明的系统程序流程图。当系统上电后开始进行系统初始化，接着对系统各模块进行初始化，然后读取IMU数据，对采集到的数据进行计算处理，最终将姿态显示在液晶屏上。
结合图3到图4，它们是系统的部分电路原理图。图3为SDRAM电路原理图，SDRAM作为程序运行的外部存储器；图4为FPGA电源、时钟、复位电路原理图，是FPGA的最小系统；图5为电源电路原理图，陀螺所需电源为15V，为避免三个陀螺之间产生信号串扰，对每个陀螺单独供电，选用3个金升阳电源模块WRA2415LT-3W，将+24V电源转换为15V，电源功率为3W；图5为对外通信电路原理图，先对其进行光耦隔离，选用的是ADuM1201光耦隔离芯片，B0505芯片提供对外输出电路部分的电源，MAX232芯片对信号进行RS232电平转换，此外提供差分传输的RS422接口，选用ADuM1201进行隔离，对MAX488芯片进行RS422电平转换。

Claims (2)

1.一种基于FPGA的微型航姿系统三维显示装置，其特征在于：所述系统由惯性测量系统ADIS16405、微处理器和液晶屏组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的微型航姿系统三维显示装置，其特征在于：所述惯性测量系统ADIS16405输出的信息经过数字滤波、误差补偿后，得到三轴角速度、三轴加速度和三轴磁场强度三个数据值；微处理器将三轴角速度、三轴加速度和三轴磁场强度三个数据值进行航姿解算，结合Kalman滤波算法得到实时解算得到系统的俯仰角、横滚角及航向角，得到实时的航姿信息；最后，将航姿信息输出到液晶显示屏并显示。
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