CN110763252A - 一种基于嵌入式处理器的捷联惯导逆序滤波设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于嵌入式处理器的捷联惯导逆序滤波设计方法，首先将正常惯性解算和卡尔曼正序滤波估算置于中断实时响应任务中，通过固定周期晶振信号控制执行；其次，将逆序惯性解算和卡尔曼逆序滤波估算置于系统调用主任务中循环执行；最后，设计一个控制条件完成正序、逆序运算以及达到同步的任务调用和时序控制。本发明通过中断触发、时序控制和主任务调度设计，在嵌入式处理器中实现捷联惯导的逆序滤波方法，使得卡尔曼滤波器在5min以内能够收敛，从而使捷联惯导快速对准精度获得较大提高。

Description

一种基于嵌入式处理器的捷联惯导逆序滤波设计方法
技术领域
本发明属于捷联惯性导航系统的嵌入式程序设计领域，具体涉及一种在嵌入式处理器中通过中断触发、时序控制和主任务调度设计，实现捷联惯导逆序滤波方法的新技术。
背景技术
现代作战对惯导系统的精度和对准时间要求越来越高，大部分武器已需要惯导系统冷启动并在5min内完成高精度快速对准，而目前的高精度捷联惯性导航系统多采用惯性粗、精对准和卡尔曼滤波器组合估计来完成对准操作，在5min时间内卡尔曼滤波器很难收敛，从而导致对准精度无法满足指标要求。为了实现卡尔曼滤波器估计误差的收敛，可以使用逆序滤波方法来满足卡尔曼滤波器的估计样本和迭代次数，然而逆序滤波方法是在对准结束前，对所有历史采样数据进行逆序回溯估算，同时系统正常的实时计算需同步进行，并且在逆序计算完成后需要追赶上系统正常的实时计算并使用滤波器估计出的系统误差，最终完成系统的对准过程。这就需要将对准时刻的所有采样数据进行保存，并且在对准结束时较短的时间内迅速完成计算量巨大的逆序滤波运算，还要保证实时计算任务和逆序滤波任务同步进行，不能影响正常惯性解算。目前这一过程难以在惯性系统的嵌入式处理器中实现，仅存在离线数据仿真和数据积累后的辅助验证阶段，因而对实际惯性系统应用中的作用无法体现。针对上述问题，本发明基于现有捷联惯导系统普遍使用的嵌入式处理器，设计了一种逆序滤波实现方法，从而解决了捷联惯导系统高精度快速对准问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在嵌入式处理器中实现捷联惯导逆序滤波方法，完成卡尔曼滤波器5min以内的收敛，从而提高捷联惯导快速对准精度。
嵌入式处理器程序一般由主任务和实时中断任务组成，实时中断任务由外部硬件信号周期产生，优先级高，可以打断主任务的执行；主任务由系统自动调用，不断循序执行，并具有现场保护功能，被中断打断后待其执行完毕可恢复现场继续执行。捷联惯导解算常见的使用方式是通过实时中断响应周期性触发，按照先后时序执行系统惯性解算和滤波估计。逆序滤波方法需要在对准结束前对对准期间的历史采样数据进行卡尔曼滤波器的逆序回溯估算，同时正常的系统解算实时进行，并且在回溯计算完成后进行正序追赶直至达到系统正常的实时计算，追赶计算完成后可使用卡尔曼滤波器估计的误差对系统姿态进行校正，最终完成对准过程。在对准结束前快速实现逆序滤波回溯和追赶计算，需要占用处理器大量的资源，同时为了不影响正常实时解算，需要合理的调用主任务和实时中断任务方可实现。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于嵌入式处理器的捷联惯导逆序滤波设计方法，首先将正常惯性解算和卡尔曼正序滤波估算置于中断实时响应任务中，通过固定周期晶振信号控制执行；其次，将逆序惯性解算和卡尔曼逆序滤波估算置于系统调用主任务中循环执行；最后，设计一个控制条件完成正序、逆序运算以及达到同步的任务调用和时序控制。
具体步骤如下：
(1)通过硬件晶振产生周期固定的中断触发信号，嵌入式处理器的中断服务程序实时响应该周期信号，建立中断实时响应任务；
(2)将逆序滤波运算部分分为回溯计算和追赶计算两部分，回溯计算包括对开始逆序之前对准数据的惯性解算和卡尔曼逆序滤波估算，追赶计算包括对回溯至对准开始点后折回直至追赶上实时惯性解算的对准数据的惯性解算和卡尔曼逆序滤波估算，逆序滤波开始后先执行回溯计算部分，再执行追赶计算部分；
(3)设计一个控制卡尔曼正序滤波估算执行和逆序滤波运算部分执行的条件m，m共有4个值，分别是：
0—标识执行卡尔曼正序滤波估算，同时不执行逆序滤波运算；
1—标识执行卡尔曼正序滤波估算，同时不执行逆序滤波运算且标识已结束逆序滤波运算；
2—标识不执行卡尔曼正序滤波估算，同时执行逆序滤波运算的对准数据回溯惯性解算和卡尔曼逆序滤波回溯估算；
3—标识不执行卡尔曼正序滤波估算，同时执行逆序滤波运算的对准数据追赶惯性解算和卡尔曼逆序滤波追赶估算；
m的初始值为0，其他值在惯导对准过程中根据控制流程进行对应改变，从而完成正序和逆序的时序控制，具体见(6)；
(4)将惯性数据采集、存储、解算和卡尔曼正序滤波估算置于嵌入式处理器中断实时响应任务中，惯性采集存储解算按照中断周期实时执行，卡尔曼正序滤波估算受条件m控制，若m值为0或者1，则按照中断周期实时执行，否则不执行；
(5)将逆序滤波运算部分置于系统调用主任务中，若m值为2，则循环执行逆序滤波运算的回溯计算，若m值为3，则循环执行逆序滤波运算的追赶计算，由于嵌入式处理器主任务在系统调用下按主频循环执行，执行速度远远大于中断任务，因而可以在短时间内完成逆序滤波的倒序回溯计算并且折回，直至追赶上中断实时响应任务中的正常实时采集解算；
(6)在对准结束时刻前，选取占用整个对准时间15％的时长用于额外增加的逆序滤波运算部分，可以保证在对准结束前完成逆序滤波运算的回溯和追赶计算，在达到对准时间的75％时刻，将条件m值置为2，则系统调用主任务中开始执行逆序滤波运算的对准数据回溯惯性解算和卡尔曼逆序滤波回溯估算，直至回溯至对准开始时刻，结束回溯计算，并将条件m值置为3，系统调用主任务中开始执行逆序滤波运算的对准数据追赶惯性解算和卡尔曼逆序滤波追赶估算，直至与中断实时响应任务中的惯性解算同步后，将条件m值置为1，完成逆序滤波对惯性对准误差的估计，停止逆序滤波运算部分；
(7)逆序滤波完成后m值置为1，继续执行中断实时响应任务中的惯性采集、存储、解算和卡尔曼滤波器正序，直至对准结束时刻，采用卡尔曼滤波器最终估计的惯性对准误差，对惯导系统姿态值进行误差校正，校正后输出系统姿态，完成对准工作。
本发明的优点和有益效果：
本发明通过中断触发、时序控制和主任务调度设计，在嵌入式处理器中实现捷联惯导的逆序滤波方法，使得卡尔曼滤波器在5min以内能够收敛，从而使捷联惯导快速对准精度获得较大提高。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的逆序滤波运算时序说明图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于嵌入式处理器的捷联惯导逆序滤波设计方法，步骤如下：
步骤一：初始化嵌入式处理器各个模块，包含主频、内存、中断、Flash及其他外设，通过硬件晶振产生周期固定的中断触发信号，嵌入式处理器的中断服务程序实时响应该周期信号，建立中断实时响应任务；
步骤二：将逆序滤波运算部分分为回溯计算和追赶计算两部分，回溯计算包括对开始逆序之前对准数据的惯性解算和卡尔曼逆序滤波估算，追赶计算包括对回溯至对准开始点后折回直至追赶上实时惯性解算的对准数据的惯性解算和卡尔曼逆序滤波估算，逆序滤波开始后先执行回溯计算部分，再执行追赶计算部分；
步骤三：设计一个控制卡尔曼正序滤波估算执行和逆序滤波运算部分执行的条件m，m为全局控制变量，共有4个值，分别是：
0—标识执行卡尔曼正序滤波估算，同时不执行逆序滤波运算；
1—标识执行卡尔曼正序滤波估算，同时不执行逆序滤波运算且标识已结束逆序滤波运算；
2—标识不执行卡尔曼正序滤波估算，同时执行逆序滤波运算的对准数据回溯惯性解算和卡尔曼逆序滤波回溯估算；
3—标识不执行卡尔曼正序滤波估算，同时执行逆序滤波运算的对准数据追赶惯性解算和卡尔曼逆序滤波追赶估算；
m的初始值为0，其他值在惯导对准过程中根据控制流程进行对应改变，从而完成正序和逆序的时序控制；
步骤四：将惯性数据采集、存储、解算和卡尔曼正序滤波估算置于中断实时响应任务中，惯性采集存储解算按照中断周期实时执行，卡尔曼正序滤波估算受条件m控制，对准开始时刻m为初值0，按照中断周期实时执行；从对准时间的75％值至逆序滤波运算的追赶计算同步完成前，m值为2和3，不执行；完成逆序滤波运算的追赶计算同步后，m值为1，继续执行；
步骤五：在对准结束时刻前，选取占用整个对准时间15％的时长用于额外增加的逆序滤波运算部分，由于嵌入式处理器主任务在系统调用下按主频循环执行，执行速度远远大于中断任务，因而可以在短时间内完成逆序滤波的倒序回溯计算并且折回，直至追赶上中断任务中的正常实时采集解算，例如若对准时间为5min，则在对准中的第4min15s开始执行，在开始执行时刻将条件m值置为2；
步骤六：将逆序滤波运算部分置于主任务中，由系统调用主任务同时在条件m的控制下循环执行；在达到对准时间的75％时刻，条件m值置为2，系统调用主任务中开始执行逆序滤波运算的对准数据回溯惯性解算和卡尔曼逆序滤波回溯估算，直至回溯至对准开始时刻，结束回溯计算，并将条件m值置为3，系统调用主任务中开始执行逆序滤波运算的对准数据追赶惯性解算和卡尔曼逆序滤波追赶估算，直至与中断实时响应任务中的惯性解算同步后，将条件m值置为1，完成逆序滤波对惯性对准误差的估计，停止逆序滤波运算部分；
步骤七：逆序滤波完成后m值置为1，继续执行中断实时响应任务中的惯性采集、存储、解算和卡尔曼滤波器正序，直至对准结束时刻，采用卡尔曼滤波器最终估计的惯性对准误差，对惯导系统姿态值进行误差校正，校正后输出系统姿态，完成对准工作。
通过多套双轴激光旋转捷联惯导长时间不同温度下的试验验证，本方法能将系统方位对准精度提升一倍左右水平，如采用零偏稳定性0.002°/h左右精度激光陀螺的双轴旋转调制系统，一般常温下开关机5min方位对准精度在80″(3σ)左右，使用本方法后系统方位对准精度可提升至30″(3σ)左右水平。选取其中一套双轴激光旋转捷联惯导在同一温度环境同一位置下，使用本方法前后的各20组开关机5min对准实验数据予以说明，基准方位为175.2607°。
表1未使用本方法开关机5min对准试验3σ＝78.48″
序号 1 2 3 4 5 6 7
输出(°) 175.2708 175.2701 175.2683 175.2602 175.2537 175.2542 175.2677
误差(°) 0.0101 0.0094 0.0076 -0.0005 -0.0070 -0.0065 0.0070
序号 8 9 10 11 12 13 14
输出(°) 175.2708 175.2699 175.2701 175.2679 175.2540 175.2583 175.2605
误差(°) 0.0101 0.0092 0.0094 0.0072 -0.0067 -0.0024 -0.0002
序号 15 16 17 18 19 20 统计
输出(°) 175.2697 175.2685 175.2692 175.2675 175.2655 175.2633 3σ
误差(°) 0.0090 0.0078 0.0085 0.0068 0.0048 0.0026 78.48″
表2使用本方法开关机5min对准试验3σ＝29.54″
序号 1 2 3 4 5 6 7
输出(°) 175.2621 175.2620 175.2612 175.2599 175.2600 175.2601 175.2596
误差(°) 0.0014 0.0013 0.0005 -0.0008 -0.0007 -0.0006 -0.0011
序号 8 9 10 11 12 13 14
输出(°) 175.2558 175.2609 175.2601 175.2625 175.2607 175.2537 175.2575
误差(°) -0.0049 0.0002 -0.0006 0.0018 0.0000 -0.0070 -0.0032
序号 15 16 17 18 19 20 统计
输出(°) 175.2622 175.2626 175.2651 175.2601 175.2655 175.2636 3σ
误差(°) 0.0015 0.0019 0.0044 -0.0006 0.0048 0.0029 29.54″
通过表1和表2的试验数据可以看出，采用本方法可以使捷联惯导5min对准精度获得较大提高，验证了本方法的正确性，对于更短时间的快速对准，因为确保了卡尔曼滤波器的收敛，本方法会更加重要。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于嵌入式处理器的捷联惯导逆序滤波设计方法，其特征在于：首先将正常惯性解算和卡尔曼正序滤波估算置于中断实时响应任务中，通过固定周期晶振信号控制执行；其次，将逆序惯性解算和卡尔曼逆序滤波估算置于系统调用主任务中循环执行；最后，设计一个控制条件完成正序、逆序运算以及达到同步的任务调用和时序控制。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式处理器的捷联惯导逆序滤波设计方法，其特征在于：所述的控制条件为m，m取0、1、2、3，
0代表执行卡尔曼正序滤波估算，同时不执行逆序滤波运算；
1代表执行卡尔曼正序滤波估算，同时不执行逆序滤波运算且标识已结束逆序滤波运算；
2代表不执行卡尔曼正序滤波估算，同时执行逆序滤波运算的对准数据回溯惯性解算和卡尔曼逆序滤波回溯估算；
3代表不执行卡尔曼正序滤波估算，同时执行逆序滤波运算的对准数据追赶惯性解算和卡尔曼逆序滤波追赶估算；
卡尔曼正序滤波估算受条件m控制，对准开始时刻m初值为0。
3.根据权利要求2所述的基于嵌入式处理器的捷联惯导逆序滤波设计方法，其特征在于：时序控制方法为：在对准结束时刻前，选取占用整个对准时间15％的时长用于额外增加的逆序滤波运算部分，保证在对准结束前完成逆序滤波运算的回溯和追赶计算，在达到对准时间的75％时刻，将条件m值置为2，则系统调用主任务中开始执行逆序滤波运算的对准数据回溯惯性解算和卡尔曼逆序滤波回溯估算，直至回溯至对准开始时刻，结束回溯计算，并将条件m值置为3，系统调用主任务中开始执行逆序滤波运算的对准数据追赶惯性解算和卡尔曼逆序滤波追赶估算，直至与中断实时响应任务中的惯性解算同步后，将条件m值置为1，完成逆序滤波对惯性对准误差的估计，停止逆序滤波运算部分。
4.根据权利要求2所述的基于嵌入式处理器的捷联惯导逆序滤波设计方法，其特征在于：达到同步的方法为：逆序滤波完成后m值置为1，继续执行中断实时响应任务中的惯性采集、存储、解算和卡尔曼正序滤波运算，直至对准结束时刻，采用卡尔曼滤波器最终估计的惯性对准误差对惯导系统姿态值进行误差校正。
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