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【6h】

车辆组合导航中卡尔曼滤波器的设计及FPGA实现

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致谢

1 引言

1.1 发展历史和研究现状

1.1.1 车辆组合导航系统的发展和现状

1.1.2 Kalman滤波理论的发展

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 本文研究的主要内容及章节安排

2 卡尔曼滤波器的算法研究及设计流程

2.1 卡尔曼滤波器的算法研究

2.1.1 随机线性离散系统的数学模型

2.1.2 标准卡尔曼滤波算法

2.1.3 扩展卡尔曼滤波算法

2.2 卡尔曼滤波器的设计流程

2.3 FPGA实现的设计流程

2.4 本章小结

3 卡尔曼滤波器的设计

3.1 设计方案

3.2 卡尔曼滤波器的结构

3.3 卡尔曼滤波器的设计

3.3.1 系统模型的建立

3.3.2 系统状态方程的建立

3.3.3 系统观测方程的建立

3.3.4 系统滤波方程的建立

3.4 仿真实验及结论

3.4.1 仿真过程设计

3.4.2 仿真结果分析

3.5 本章小结

4 卡尔曼滤波器的FPGA实现

4.1 系统设计

4.2 模块的设计与实现

4.2.1 mykalman模块的设计

4.2.2 muladd模块的设计

4.2.3 multi2 模块的设计

4.2.4 div模块的设计

4.2.5 ram的设计

4.3 仿真验证及结论

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 未来展望

参考文献

作者简历

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摘要

近年来,车辆在人们生活中的地位不断提高,随着电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展,车辆导航定位系统也随之发展起来。既然任何导航系统在实现动态定位中都会产生误差,通常有两种方法减小误差:一是差分GPS技术,二是通过卡尔曼滤波。由于卡尔曼滤波不需要建立GPS基准站及数据通信装置,不受信号作用的范围限制,因此通常采用卡尔曼滤波来减小动态定位的误差。 卡尔曼滤波是一种高效率的递归滤波器,采用最优化估计方法,能够从一系列的不完全包含噪声的测量中,实时估计出动态系统的状态。对于定位误差问题的解决,卡尔曼滤波是最优的,效率也是最高的。因此研究车辆动态导航定位中的卡尔曼滤波器具有重大的意义。本文针对车辆GPS/DR组合导航中的卡尔曼滤波器进行了深入的研究,取得了以下成果: 第一,设计了适合车辆GPS/DR组合导航系统的卡尔曼滤波器。首先分析了卡尔曼滤波器的具体设计方案。然后将扩展卡尔曼滤波算法用于车辆GPS/DR组合导航定位,建立了车辆组合导航定位的系统模型、系统状态方程、系统观测方程和系统滤波方程,完成卡尔曼滤波器的设计。在建立系统滤波方程时,采用了加速度均值自适应算法的优化算法,减小了模型产生的误差,提高了滤波估计的精度。最后利用Matlab软件对设计好的卡尔曼滤波器进行仿真实验,并分析了仿真的结果。仿真结果表明,本文设计的卡尔曼滤波器抑制了滤波的发散,定位精度高、估计误差小。 第二,采用FPGA实现设计好的卡尔曼滤波器。首先在Matlab仿真结果的基础上,对卡尔曼滤波器的硬件实现进行了系统设计。然后将卡尔曼滤波器分为一个顶层模块mykalman和五个底层模块muladd、multi2、div、ramy1、ramy2进行设计。利用Altera的Megafunction/LPM资源,采用适合FPGA的优化算法,例化了五个底层模块,再根据五个底层模块来综合实现顶层模块。最后利用QuartusⅡ软件对卡尔曼滤波器的各个模块进行了仿真验证,并分析了仿真结果。仿真结果表明,本文设计的卡尔曼滤波器在FPGA上的实现是切实可行的。相比较传统的DSP实现方法而言,采用FPGA实现的卡尔曼滤波器具有更好的实时性、并行性、可扩展性,并且具有较低的功耗、较高的精度和计算速度。

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