CN115096283A - 半球谐振陀螺惯性导航系统及其设计方法 - Google Patents

半球谐振陀螺惯性导航系统及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半球谐振陀螺应用技术领域，提供一种半球谐振陀螺惯性导航系统及其设计方法。该半球谐振陀螺惯性导航系统，包括如下步骤：S10、设计系统架构；S20、设计供电方案；S30、设计通信方式；S40、设计调控方式。本发明通过对系统架构、供电方案、通信效率和解算控制方式的优化，精简系统，降低系统的功耗，提高系统导航性能。

Description

半球谐振陀螺惯性导航系统及其设计方法
技术领域
本发明涉及半球谐振陀螺应用技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺惯性导航系统及其设计方法。
背景技术
半球谐振陀螺具有体积小、功耗低和精度高的特点。谐振惯导系统中需要对三只陀螺进行控制和解算，如何降低伺服电路的功耗，是谐振惯导系统研究的工作之一。
现有的半球谐振系统结构部件数量冗杂、通信效率低、功耗高，限制半球谐振系统的研究发展。
发明内容
本发明提供一种半球谐振陀螺惯性导航系统及其设计方法，用以解决现有技术中半球谐振陀螺惯性导航系统功耗高的缺陷，实现降低半球谐振陀螺惯性导航系统的功耗，提高通信效率。
本发明提供一种半球谐振陀螺惯性导航系统的设计方法，包括如下步骤：
S10、设计系统架构，将陀螺检测、陀螺闭环控制、加速度计信号采集和导航解算融合于主控单元的数字电路板上，将供电和模拟电路融合于主控单元的模拟电路板上；
S20、设计供电方案，在模拟电路板上集成隔离电源和开关电源，其中，隔离电源为模拟电路板供电，开关电源为数字电路板供电；
S30、设计通信方式，数字电路板和模拟电路板之间采用相匹配的传输接口和AXI传输协议进行数据传输；
S40、设计调控方式，数字电路板上集成有ZYNQ芯片，通过ZYNQ芯片实现导航解算和陀螺闭环控制。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统的设计方法，所述S40步骤中，在所述ZYNQ芯片上集成PL模块和PS模块，其中，所述PL模块用以完成数据采集和数模转换器驱动，所述PS模块用以完成导航解算和陀螺的闭环控制。
本发明还提供一种半球谐振陀螺惯性导航系统，基于如上任一项所述的半球谐振陀螺惯性导航系统的设计方法进行设计，包括主控单元，所述主控单元包括叠放的数字电路板和模拟电路板，所述模拟电路板集成有数模转换器、模数转换器和电源模块；
所述ZYNQ芯片包括PL模块和PS模块，所述PL模块用以与上位机通信连接，所述PS模块与所述模数转换器和所述数模转换器分别通信连接，所述PL模块和所述PS模块之间通信连接。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，所述PS模块通过AXI总线与所述模数转换器和所述数模转换器通信连接。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，所述AXI总线设置有GP接口、HP接口和ACP接口，所述GP接口与所述数模转换器通信连接，所述ACP接口与所述模数转换器通信连接。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，所述PL模块设置有IO端口，所述IO端口外扩三路全双工422串口，用以与所述上位机通信连接。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，所述模拟电路板还集成有温度采集芯片，所述PL模块设置有用以与所述温度采集芯片通信连接的八通道铂电阻测温回路。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，所述模拟电路板还集成有隔离电源和开关电源，所述隔离电源用以与陀螺供电连接；
所述开关电源与所述数字电路板供电连接。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，所述隔离电源的输出端设有三个低压差线性稳压器，三个所述低压差线性稳压器输出三路电压均为5V的电源，用以与数模转换器一一对应供电连接。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，所述PS模块的第一处理器的运行频率为10kHz，所述PS模块的第二处理器的运行频率为200Hz。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的半球谐振陀螺惯性导航系统及其设计方法，包括如下步骤：S10、设计系统架构，将陀螺检测、陀螺闭环控制、加速度计信号采集和导航解算融合于主控单元的数字电路板上，将供电和模拟电路融合于主控单元的模拟电路板上；S20、设计供电方案，在模拟电路板上集成隔离电源和开关电源，其中，隔离电源为模拟电路板供电，开关电源为数字电路板供电；S30、设计通信方式，数字电路板和模拟电路板之间采用相匹配的传输接口和AXI传输协议进行数据传输；S40、设计调控方式，数字电路板上集成有ZYNQ芯片，通过ZYNQ芯片实现导航解算和陀螺闭环控制，通过对系统架构、供电方案、通信效率和解算控制方式的优化，精简系统，降低系统的功耗，提高系统导航性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的半球谐振陀螺惯性导航系统的构架框示图；
图2是本发明提供的半球谐振陀螺惯性导航系统的供电方案框示图；
图3是本发明提供的半球谐振陀螺惯性导航系统中PS模块的构架框示图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种半球谐振陀螺惯性导航系统的设计方法，包括如下步骤：
S10、设计系统架构，将陀螺检测、陀螺闭环控制、加速度计信号采集和导航解算融合于数字电路板上，将供电和模拟电路融合于模拟电路板上；
S20、设计供电方案，在模拟电路板上集成隔离电源和开关电源，其中，隔离电源为模拟电路板供电，开关电源为数字电路板供电；
S30、设计通信方式，数字电路板和模拟电路板之间采用相匹配的传输接口和AXI传输协议进行数据传输；
S40、设计调控方式，数字电路板上集成有ZYNQ芯片，通过ZYNQ芯片实现导航解算和陀螺闭环控制。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统的设计方法，S40步骤中，在ZYNQ芯片上集成PL模块和PS模块，其中，PL模块用以完成数据采集和数模转换器驱动，PS模块用以完成导航解算和陀螺的闭环控制。
下面结合图1至图3对本发明提供的半球谐振陀螺惯性导航系统进行描述，下文描述的半球谐振陀螺惯性导航系统与上文描述的半球谐振陀螺惯性导航系统的设计方法可相互对应参照。
本发明还提供一种半球谐振陀螺惯性导航系统，基于如上任一项所述的半球谐振陀螺惯性导航系统的设计方法进行设计，包括主控单元，主控单元包括叠放的数字电路板和模拟电路板，模拟电路板集成有数模转换器、模数转换器和电源模块；
ZYNQ芯片包括PL模块和PS模块，PL模块用以与上位机通信连接，PS模块与模数转换器和数模转换器分别通信连接，PL模块和PS模块之间通信连接。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，PS模块通过AXI总线与模数转换器和数模转换器通信连接。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，AXI总线设置有GP接口、HP接口和ACP接口，GP接口与数模转换器通信连接，ACP接口与模数转换器通信连接。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，PL模块设置有IO端口，IO端口外扩三路全双工422串口，用以与上位机通信连接。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，模拟电路板还集成有温度采集芯片，PL模块设置有用以与温度采集芯片通信连接的八通道铂电阻测温回路。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，模拟电路板还集成有隔离电源和开关电源，隔离电源用以与陀螺供电连接；
开关电源与数字电路板供电连接。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，隔离电源的输出端设有三个低压差线性稳压器，三个低压差线性稳压器对应输出三路电压均为5V的电源，用以与数模转换器一一对应供电连接。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺惯性导航系统，PS模块的第一处理器的运行频率为10kHz，PS模块的第二处理器的运行频率为200Hz。
本发明提供的半球谐振陀螺惯性导航系统的设计方法具体包括如下步骤：
S10、对系统的控制与导航的组成架构优化设计
将陀螺的检测与闭环控制、加速度计信号采集和导航解算融合在主控单元的线路板上；
具体的，本实施例中，主控单元线路板为圆形，且外径小于或等于60mm。主控单元包括叠放设置的数字电路板和模拟电路板，其中，数字电路板集成有ZYNQ系列的Z7020芯片。
Z7020芯片为ZYNQ系列的底端器件，并集成有PL模块和PS模块，PL模块采用Artix-7系列FPGA，触发器门数达到35200。PS模块采用双核的ARMA9芯片。
模拟电路板用以供电和模拟线路。
如图1所示，主控单元需要对三只谐振陀螺进行数字化反馈控制和采集三路加速度计的信号。其中，每只谐振陀螺设置有四个电极，分别是一对检测电极和一对施力电极，对应的，每只谐振陀螺的检测和控制需要2个通道的模数转换器（简称AD）和2个通道的数模转换器（简称DA），每只加速度计对应1路AD信号的检测，综上，共设计3个双通道AD，3个单通道AD和3个双通道DA，且模数转换器和数模转换器均集成于模拟电路板上。
对外通讯的设计优化，PL模块设置IO端口，并通过IO端口外扩三路全双工422串口，进而实现与上位机的通信连接，完成信息交互。
在一个实施例中，为了对惯性元件的精准温补，在PL模块设置八通道铂金电阻测温回路，八通道铂金电阻测温回路与模拟电路板上集成设置的温度采集芯片通信连接。现有系统采用5块FPGA、3块ARM、和1块DSP，总共7.5W的功耗，而本实施例中采用一个主控单元ZYNQ芯片，功耗为2W，极大程度降低了系统的功耗。
S20、供电方案优化设计
基于降低三只谐振陀螺之间的相互干扰的前提下，确保谐振陀螺模拟回路噪声不受开关噪声影响，在模拟电路板上集成隔离电源和开关电源，隔离电源和开关电源由同一外部供电单元供电，隔离电源地、开关电源地和外部供电单元地均设置在AD和DA附近，并采用工字型方式共地。
具体的，如图2所示，三只谐振陀螺的AD由隔离电源输出的±15V电源供电；在隔离电源的输出端设置三个低压差线性稳压器（简称LDO），三个低压差线性稳压器对应产生三路电压为5V的电源，并对三个DA一一对应供电，也就是说，每个低压差线性稳压器输出一路5V模拟电源，并对应一个DA。开关电源产生电压为5V的电源，为数字电路板供电。
S30、系统内部通信方式优化设计
本实施例中，PL模块用以完成数据的采集和对DA的驱动，PS模块用以完成控制和导航解算，PL模块和PS模块均集成于数字电路板上，通过AXI总线实现PL模块和PS模块之间的通信连接。
具体的，本实施例中的AXI总线协议包括三种：
AXI4，主要面向高性能地址映射通信的需求，是面向地址映射的接口，允许最大256轮的数据突发传输；
AXI4-Lite，是一个轻量级的地址映射单次传输接口，占用很少的逻辑单元；
AXI4-Stream，面向高速流数据传输；去掉了地址项，允许无限制的数据突发传输规模；
本实施例中的AXI总线协议包括三种接口：
AXI-GP接口，是通用的AXI接口，包括两个32位主设备接口和两个32位从设备接口，用过该接口可以访问PS模块中的片内外设；
AXI-HP接口，是高性能、高带宽的标准的接口，PL模块作为主设备连接，主要用于PL模块访问PS模块上的存储器（DDR和On-Chip RAM）；
AXI-ACP接口，是ARM多核架构下定义的一种接口，即加速器一致性端口，用来管理DMA之类的不带缓存的AXI外设，对应的PS模块设置为Slave接口。
本实施例中AD的采样速率为20MHz，采用AXI-ACP接口和AXI4-Stream协议，实现快速将数据送入DDR中，以便PS模块对数据进行快速处理。
本实施例中DA的更新频率为1kHz，使用AXI-GP接口和AXI4-Lite协议，实现PS模块对DA的控制，同时有效降低功耗。
需要说明的是，在本实施例中，AXI-HP接口为闲置接口，方便其他数据传输连接。
S40、导航解算和谐振陀螺闭环控制优化设计
本实施例中，PS模块设置为双核机制，即PS模块集成有第一处理器和第二处理器，其中，第一处理器负责对谐振陀螺的闭环控制、通过AXI总线控制AD和DA、与温度采集芯片通讯连接；第二处理器负责导航解算和对外通讯。
如图3所示，第一处理器和第二处理器通过共享内存进行实时数据交互。
本实施例中，谐振陀螺的闭环控制周期为10kHz，对应的第一处理器的运行频率为10kHz，第一处理器一直处于正常工作模式运行；第二处理器导航解算的频率为200Hz，可见，第二处理器在大部分时间是处于空闲状态，也就是说，在完成一个解算周期后，第二处理器立即进入休眠模式，在下一个解算周期到来时，第一处理器通过软件中段的方式唤醒第二处理器，进而实现第二处理器的功耗，与现有技术中系统采用FPGA+DSP的控制方式，功耗得到极大降低。
本发明提供的半球谐振陀螺惯性导航系统及其设计方法，包括如下步骤：S10、设计系统架构，将陀螺检测、陀螺闭环控制、加速度计信号采集和导航解算融合于主控单元的数字电路板上，将供电和模拟电路融合于主控单元的模拟电路板上；S20、设计供电方案，在模拟电路板上集成隔离电源和开关电源，其中，隔离电源为模拟电路板供电，开关电源为数字电路板供电；S30、设计通信方式，数字电路板和模拟电路板之间采用相匹配的传输接口和AXI传输协议进行数据传输；S40、设计调控方式，数字电路板上集成有ZYNQ芯片，通过ZYNQ芯片实现导航解算和陀螺闭环控制，通过对系统架构、供电方案、通信效率和解算控制方式的优化，精简系统，降低系统的功耗，提高系统导航性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种半球谐振陀螺惯性导航系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10、设计系统架构，将陀螺检测、陀螺闭环控制、加速度计信号采集和导航解算融合于数字电路板上，将供电和模拟电路融合于模拟电路板上；
S20、设计供电方案，在模拟电路板上集成隔离电源和开关电源，其中，隔离电源为模拟电路板供电，开关电源为数字电路板供电；
S30、设计通信方式，数字电路板和模拟电路板之间采用相匹配的传输接口和AXI传输协议进行数据传输；
S40、设计调控方式，数字电路板上集成有ZYNQ芯片，通过ZYNQ芯片实现导航解算和陀螺闭环控制。
2.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺惯性导航系统的设计方法，其特征在于，所述S40步骤中，在所述ZYNQ芯片上集成PL模块和PS模块，其中，所述PL模块用以完成数据采集和数模转换器驱动，所述PS模块用以完成导航解算和陀螺的闭环控制。
3.一种半球谐振陀螺惯性导航系统，基于权利要求1至2任一项所述的半球谐振陀螺惯性导航系统的设计方法进行设计，其特征在于，包括主控单元，所述主控单元包括叠放的数字电路板和模拟电路板，所述模拟电路板集成有数模转换器、模数转换器和电源模块；
所述数字电路板集成有ZYNQ芯片，所述ZYNQ芯片包括PL模块和PS模块，所述PL模块用以与上位机通信连接，所述PS模块与所述模数转换器和所述数模转换器分别通信连接，所述PL模块和所述PS模块之间通信连接。
4.根据权利要求3所述的半球谐振陀螺惯性导航系统，其特征在于，所述PS模块通过AXI总线与所述模数转换器和所述数模转换器通信连接。
5.根据权利要求4所述的半球谐振陀螺惯性导航系统，其特征在于，所述AXI总线设置有GP接口、HP接口和ACP接口，所述GP接口与所述数模转换器通信连接，所述ACP接口与所述模数转换器通信连接。
6.根据权利要求3所述的半球谐振陀螺惯性导航系统，其特征在于，所述PL模块设置有IO端口，所述IO端口外扩三路全双工422串口，用以与所述上位机通信连接。
7.根据权利要求3所述的半球谐振陀螺惯性导航系统，其特征在于，所述模拟电路板还集成有温度采集芯片，所述PL模块设置有用以与所述温度采集芯片通信连接的八通道铂电阻测温回路。
8.根据权利要求3所述的半球谐振陀螺惯性导航系统，其特征在于，所述模拟电路板还集成有隔离电源和开关电源，所述隔离电源用以与陀螺供电连接；
所述开关电源与所述数字电路板供电连接。
9.根据权利要求8所述的半球谐振陀螺惯性导航系统，其特征在于，所述隔离电源的输出端设有三个低压差线性稳压器，三个所述低压差线性稳压器对应输出三路电压均为5V的电源，用以与数模转换器一一对应供电连接。
10.根据权利要求3所述的半球谐振陀螺惯性导航系统，其特征在于，所述PS模块的第一处理器的运行频率为10kHz，所述PS模块的第二处理器的运行频率为200Hz。
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