基于FPGA的Kalman滤波器实现研究

摘要

组合导航系统以其优异的性能已成功应用于航空、航天、航海等各个领域，其组合方式大部分采用Kalman滤波算法。随着对导航系统性能要求的不断提高，目前Kalman滤波器的实现方式在某些环境下不能同时满足实时性高、精度高、体积小、功耗低等要求，因此论文采用FPGA技术实现组合导航中的Kalman滤波运算，进行了相应的研究和实现验证。
　　论文研究了Kalman滤波的工程实现及实时性，基于FPGA实现了定点数与浮点数的基本数学运算，论证FPGA实现数字信号处理的可行性，提出了利用FPGA实现Kalman滤波的研究方案。
　　论文对采用FPGA进行Kalman滤波的方案进行了开发实现研究。分别采用IP核和AccelDSP两种方式研究了二阶Kalman滤波器的实现。利用IP核作为主要计算元件研究了矩阵相乘、状态机的交互和资源分时复用等关键技术，实现了将滤波解算结果通过串行口输出至PC机，并与MATLAB及DSP的解算结果分别在精度和实时性方面进行了对比，论证了IP核实现Kalman器可以同时满足精度和实时性要求；通过一系列的性能优化过程，利用AccelDSP实现了Kalman滤波，得到较理想的性能。分析了两种方式实现Kalman滤波器的特点。
　　综合利用IP核方式和AccelDSP方式研究和实现了基于FPGA的SINS/GPS组合导航系统中的8阶Kalman滤波器，并与MATLAB仿真结果相对比，在保证运算精度的同时显著提高了Kalman解算的实时性。
　　论文的研究和实现表明，采用FPGA技术实现Kalman滤波解算，既可以保证解算的精度，又可以提高解算的快速性，是进一步提升组合导航系统的性能的一种可行方案。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状分析

1.3 本文研究的目的、意义和主要内容

第二章Kalman滤波理论和FPGA实现技术方案研究

2.1 引言

2.2 Kalman滤波理论与算法

2.3 FPGA技术研究

2.4 基于FPGA的Kalman滤波方案研究

2.5 本章小结

第三章 基于IP核的Kalman滤波器实现研究

3.1 引言

3.2 IP核技术

3.3 基于IP核的二阶Kalman滤波器实现研究

3.4 结果导出与性能分析

3.5 本章小结

第四章 基于AccelDSP的Kalman滤波器实现研究

4.1 引言

4.2 AccelDSP技术

4.3 基于AccelDSP的二阶Kalman滤波器实现研究

4.4 性能对比分析

4.5 本章小结

第五章 SINS/GPS组合导航解算中Kalman滤波器的实现研究

5.1 引言

5.2 SINS/GPS组合导航的数学模型的建立

5.3 SINS/GPS组合导航Kalman滤波方案研究

5.4 Kalman滤波结果分析及性能评价

5.5 本章小结

第六章 总结和展望

6.1全文总结

6.2 对后续工作的展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及学术论文情况