基于全可编程SOC的高性能MEMS组合导航技术研究

• 作 者: 李晓阳
• 出 处: 中国运载火箭技术研究院
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: MEMS组合导航 Zynq SOC Simulink 数字陀螺测控算法 锁相放大技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)组合导航系统因为具有成本低、重量轻、安装维护方便等特点,在军用和民用领域得到了广泛应用。为满足我单位组合导航系统低成本、小型化的发展需求,本文设计制造了一款基于SOC(System-on-a-Chip)的MEMS组合导航系统。考虑到石英微陀螺驱动音叉存在测控不够精确的问题,本文在查阅相关资料的基础上,通过Simulink建模完成了数字陀螺测控算法的设计与实现。主要工作概括如下:首先,本文对MEMS陀螺仪、加速度计、惯性测量单元以及组合导航系统国内外发展现状进行了充分的调查研究,分析得出了设计新型MEMS组合导航系统硬件平台和数字陀螺测控算法的必要性。其次,本文介绍了组合导航基本原理,制定了MEMS组合导航系统硬件设计方案,完成了原理样机制备。此MEMS组合导航系统分为电源模块、Zynq主控模块以及传感器模块。其中,电源模块主要功能是为其余两部分提供稳定电压;Zynq主控模块包括Zynq模块、FLASH模块、DDR3模块、PS和PL时钟模块,是整个组合导航系统的核心;传感器模块包括MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、导航接收机,此模块的功能是实现系统数据的精确测量。然后,本文对石英微陀螺驱动部分进行Simulink仿真建模以及数字陀螺测控算法的FPGA实现。本文使用的陀螺仪是我单位自主研发生产的MEMS石英音叉陀螺,通过对陀螺驱动部分闭环分析,建立Simulink模型,主要包括:信号发生器、石英陀螺驱动音叉、锁相放大器、控制器。采用锁相放大技术实现驱动音叉相位和幅值的精确测量,采用PID控制器实现相位和幅值的稳定控制。在仿真分析的基础上,对数字陀螺测控算法进行FPGA实现,主要包括:正弦信号发生器模块、锁相放大模块以及控制模块。基于相位累加原理产生驱动陀螺所需的正弦波,采用CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer)算法完成锁相放大模块相位和幅值的解算。最后,为评估所设计的MEMS组合导航系统样机与数字陀螺测控算法性能,分别进行纯惯性导航系统验证试验、组合导航系统静态试验以及跑车试验。试验结果表明,陀螺稳定性最小为5.355°/h,最大为8.061°/h,满足其技术指标中小于10°/h的要求,加速度计和组合导航整机性能也都达到了技术指标要求。