基于Zynq7020 的組合導航處理平臺軟硬件系統的設計與實現

王世臣，張代省，范興民

（1.安徽四創電子股份有限公司，合肥 230031；2.北斗衛星導航技術安徽省重點實驗室，合肥 230031）

1 組合導航處理平臺

慣性導航系統的理論基礎是牛頓力學定律—慣性定律，利用慣性敏感元件、基準方向和初值位置確定載體的位置、速度和姿態，為自主式導航系統。但慣導系統會隨著時間累積誤差，嚴重時會影響導航精度，需引入外部數據對慣導系統進行定時校正，采用兩種或兩種以上的導航設備組合，構建組合導航系統，目前主流的組合方式為衛星導航系統（GNSS）和慣性導航系統（INS）相組合[1][2]，組合導航系統中的導航處理平臺一般采用FPGA+DSP 的架構實現，缺點是體積大、功耗高。隨著組合導航系統集成化程度的要求越來越高，我們提出一種基于Zynq 處理器構建組合導航處理平臺的方案，充分利用平臺優勢，有效減小系統體積和功耗。

2 總體設計方案

組合導航系統平臺系統架構如圖1所示：

圖1 組合導航處理平臺系統架構圖

該處理平臺由ZYNQ7020，ADC，DDR3，eMMC，UART，網絡及422/485等接口組成。主要完成信號處理（對陀螺信號、加速度計信號、衛導信號等進行處理）、數據采集、導航解算、數據存儲、數據傳輸等功能。

①陀螺儀和加速度計輸出為TTL 信號，利用ZYNQ7020的PL 端采集兩個TTL 脈沖信號，并進行計數。

②陀螺控制板與ZYNQ7020 PL 端采用UART TTL 通信，用于實現陀螺儀的抖頻和穩頻控制。

③衛星導航接收機通過RS422差分輸入，經電平轉換后與PL 端進行通信，用于衛星導航接收機的原始觀測量數據和導航信息的采集。

④采用RS422接口輸出導航解算結果至外部系統，提升通信可靠性和抗干擾能力。

⑤系統預留網絡和RS485等接口，便于系統調試和軟件升級。

⑥系統采用大容量的存儲（eMMC）和運行內存（DDR3），PL 和PS 端共享內存，用于數據采集和解算處理。

Zynq7020 作為平臺核心，是基于Xilinx 所有可編程SOC（APSOC）架構，由PS 和PL 兩大部分組成，兩者之間通過AXI接口通信，AXI-HP 和AXI-ACP 協議下，PS 僅能讀數據，在AXI-GP 模式下，PS 可以讀寫數據。Zynq7020架構如圖2所示：

圖2 Zynq7020架構

3 軟件設計方案

基于系統穩定性和可擴展性考慮，軟件設計采用高內聚低耦合的設計思想。劃分為多個模塊，各模塊間接口統一，易于維護和升級。組合導航處理平臺軟件設計架構如圖3所示。

（1）PL 端軟件主要包括溫度信號采集，陀螺信號和加速度計信號采集與處理，衛星導航信號的數據采集與存儲。

（2）Zynq 處理器的PS 端有兩個ARM 處理器，分別完成不同功能。其中，一個ARM 處理器將PL 端采集和處理的信號，進行慣性導航解算，輸出姿態和加速度信息。并與衛星導航構建組合導航系統，實現濾波算法，輸出高精度位置、姿態和速度信息。同時還完成系統初始對準、桿臂校正及誤差估計等功能，為整個系統的核心。

圖3 系統軟件架構圖

①初始對準模塊：根據加速度計、激光陀螺完成初始對準并確定姿態矩陣。根據衛星導航模塊或用戶輸入的位置信息確定當地經緯度。

②慣性導航解算：姿態、速度、位置更新模塊分別用于計算載體的姿態、速度、位置數據。

③組合導航濾波：根據當前的工作模式，選擇使用慣導系統輸出的姿態、速度信息，衛星導航設備輸出的位置信息，根據不同的變量建立卡爾曼濾波方程，然后進行信息融合處理。

④桿臂校正：完成載體坐標系和導航坐標系間的姿態變換。

⑤誤差估計：完成陀螺及加速度計的零偏估計，進一步提升系統的精度。

（3）Zynq 處理器的ARM 端軟件，主要完成系統接口控制，協議轉換和數據存儲等功能，用于完成組合導航系統與外部系統對接。

4 數學模型及仿真

組合導航處理平臺的算法實現所采用的數學模型主要包括姿態矩陣、四元數法、比利方程、速度更新、位置更新及卡爾曼濾波等[3][4]。

4.1 導航坐標系（n 系）到載體坐標系（b 系）轉換

4.2 四元數法表示姿態

四元數法與姿態矩陣的關系：

4.3 比利方程

4.4 速度更新

速度更新微分方程：Vk+1=f（Vk，fb（tk）），速度增量：

4.5 位置更新

4.6 組合導航濾波算法

采用卡爾曼濾波器組合導航算法，實現誤差最有估計，具體實現流程如圖4所示。

圖4 組合導航濾波算法框圖

5 結束語

通過采用Zynq7020處理器平臺，構建組合導航系統，可以大大降低系統的設計復雜度，充分利用該平臺的多核應用架構，總線內部完成數據交互，縮短了數據緩存延遲。通過算法優化，利用雙ARM 處理器協同工作，提升產品性能，提高系統的穩定性和可靠性。