机载红外照相机姿态惯性测量系统硬件平台设计

摘要

无人机航拍是以无人驾驶飞机作为空中平台，以机载遥感设备，如红外照相机、轻型光学相机、红外扫描仪等获取信息，用计算机对图像信息进行处理，并按照一定精度要求制作成图像。为了满足特殊任务和现代战争的需求，本文设计了一种基于MEMS的机载红外照相机姿态惯性测量系统。
　　首先，本文提出了机载红外照相机姿态惯性测量系统硬件平台设计方案。该系统使用GPS接收机获取卫星时间同步信号，高精度惯导获取无人机的航向信息，低精度MEMS惯导测量机载照相机的姿态角，同时MEMS惯导与高精度主惯导实现传递对准，以便校准低精度MEMS惯导因漂移而带来的较大误差。MEMS惯导将陀螺仪和加速度计测得的信息利用误差补偿算法，由解算软件解算出当前的姿态角，该姿态角输出给控制芯片控制电机运转，从而使无人机航拍照相机按照控制指令转动，使其按指定的要求进行拍照。
　　其次，在分析了姿态惯性测量系统的特点和性能要求后，文中采用TI公司生产的信号处理器TMS320C6747作为该系统的信息处理模块，主要用于接收各种传感器信息，执行相应的解算软件，解算出需要的数据。在此基础上，文中重点研究了姿态惯性测量系统的硬件平台电路实现，以及在硬件平台上对数据的采集、处理、解算、数据输出等模块的设计及调试工作。
　　最后，文中介绍了对姿态惯性测量系统的整体性能测试。测试结果表明，文中设计的机载红外照相机姿态惯性测量系统硬件平台能够满足系统的功能需求，具有很好的研究价值和应用前景。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 机载照相技术与姿态惯性测量技术的发展与应用

1．2．1 机载照相技术发展与应用

1．2．2 姿态惯性测量技术的发展与应用

1．3 课题研究内容和章节安排

2 姿态惯性测量系统概述

2．1 引言

2．2 姿态惯性测量系统的基本组成

2．3 姿态惯性测量系统的需求分析

2．3．1 功能要求

2．3．2 性能要求

2．4 姿态测量技术

2．4．1 GPS姿态测量技术

2．4．2 惯导姿态测量技术

2．5 姿态惯性测量系统工作原理

2．5．1 GPS授时系统

2．5．2 传递对准

2．6 惯导测姿和GPS测姿的优缺点分析

2．7 本章小结

3 姿态惯性测量系统硬件电路设计

3．1 姿态惯性测量系统的总体设计方案

3．2 系统芯片选型

3．2．1 DSP芯片选型

3．2．2 FPGA芯片选型

3．3 DSP硬件电路设计

3．3．1 DSP外部存储器接口设计

3．3．2 DSP的JTAG接口设计

3．3．3 DSP的供电电源的设计

3．3．4 时钟和复位电路设计

3．3．5 DSP的I／O口设计

3．4 FPGA硬件电路设计

3．4．1 XC3S1600E简介

3．4．2 FPGA中断信号分配

3．4．3 FPGA配置电路

3．4．4 FPGA的供电电源设计

3．5 串口通讯模块电路设计

3．5．1 RS232电平转换电路

3．5．2 RS422电平转换电路

3．6 CAN接口硬件设计

3．6．1 CAN模块系统构成

3．6．2 CAN与FPGA接口设计

3．6．3 CAN收发器电路设计

3．7 印制电路板布局布线

3．7．1 电路板的布局

3．7．2 电路板的布线

3．8 本章小结

4 姿态惯性测量系统的软件设计

4．1 DSP和FPGA软件设计流程

4．1．1 DSP软件设计流程

4．1．2 FPGA软件设计流程

4．2 DSP驱动程序设计

4．2．1 DSP锁相环的设定

4．2．2 DSP定时器设置

4．2．3 NOR FLASH的软件设计

4．3 基于FPGA的UART接口设计

4．3．1 引言

4．3．2 异步串行通信标准

4．3．3 UART总体设计

4．3．4 发送模块的Verilog HDL实现

4．3．5 接收模块的Verilog HDL实现

4．3．6 UART时序仿真

4．4 基于FPGA的CAN总线通讯设计

4．4．1 SJA1000独立CAN总线控制器

4．4．2 FPGA控制程序的软件设计

4．4．3 SJA1000逻辑控制

4．4．4 SJA1000读写数据流程控制

4．4．5 CAN总线的时序仿真

4．5 本章小结

5 系统综合调试

5．1 引言

5．2 基本调试

5．2．1 FPGA上电调试

5．2．2 DSP上电调试

5．3 系统各功能模块调试

5．3．1 数据存储模块测试

5．3．2 串行通讯模块调试

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文所做工作总结

6．2 后期工作展望

致谢

参考文献