高速飞行姿态解算系统设计与实现.pdf

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1、第43卷第5期2013年9月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．43No．5Sep．2013高速飞行姿态解算系统设计与实现贺莹，王闯，李翠娟(中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安710068)摘要：飞行事故分析需要完整记录飞机的飞行姿态，为此设计了一种基于FPGA的高速姿态解算系统，能够在线高速输出姿态信息，为飞行事故分析提供充足的参考数据。系统采用基于四元数的姿态算法，以克服欧拉法在900具有奇异性的缺陷；用浮点数格式进行数据描述，并在FPGA内设计了浮点数四则运算硬件逻辑电路，以提高解算的精度；同时，在解

2、算过程中充分发挥FPGA分布式、并行化的处理特点，通过并行流水设计及模块复用方法对系统的处理速度和资源消耗进行折中，使得系统在一块小规模FPGA芯片中达到0．38MHz的姿态输出频率。进行仿真数据测试及转台实验，对系统的解算精度及动静态性能进行了分析与评价。实验结果表明，系统性能良好，简单实用，具有较好的工程推广应用前景。关键词：飞行事故分析；姿态解算；四元数；现场可编程逻辑门阵列中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：1671．654X(2013)05．0111．05DesignandImplementationofHighSpeedFlightA

3、ttitudeComputationSystemHEYing，WANGChuang，LICui—juan(X／’anAeronauticsComputingTechniqueResearchInstitute，AVIC，Xi’an710068，China)Abstract：Flightaccidentanalysisneedacompleterecordofflightattitudedata，thereforethispaperde-signsanFPGA—basedattitudecomputationsystemthatcanonlineoutput

4、flightattitudeathighfrequencytoprovidealargenumberoforiginalreferencedataforflightaccidentanalysis．Thesystemappliesquater—nionrepresentationofattitudealgorithmtoavoidthesingularityofEulerequations，adoptsfloating—pointnumberformattoenhancecomputationaccuracyanddesignstheFPGAlogicci

5、rcuitoffloating--pointa·-rithmetic．ThedesignfullyexertsthedistributedandparallelprocessingcapacityoftheFPGA，andmakesacompromisebetweenprocessingspeedandresourceconsumptionbypipelinetechniqueandmodulere-usemethod；finallyitcanachieve0．38MHzoutputfrequencyinasmallscaleFPGAchip．Simula

6、tionda-tatestandrotatorexperimentarecarriedouttoanalyzeandevaluatesystemcomputationaccuracyandstaticanddynamicperformances．TheresultsindicatethatthedesignedFPGAcomputationsystemworkswell，andissimpleandpracticalwhichhasanextensiveengineeringapplicationprospect．Keywords：flightaccide

7、ntanalysis；attitudedetermination；quaternion；field—programmablegatearray引言如何对飞行事故进行调查和分析，找到确切的事故原因，是避免重复发生同类飞行事故的前提。飞行姿态是飞行状态中最为关键的参数，它能够充分反映控制指令的执行情况，是飞行事故发生后查找原因的重要依据⋯。飞行姿态由飞机上安装的姿态参考系统提供，通常是基于惯性测量原理进行求解。．现有的机载姿态参考系统主要存在三个方面的问题。第一，现有系统往往价格昂贵、体积庞大，不利于工程推广应用；第二，现有系统输出为欧拉角姿态，由于欧拉法求解

8、姿态时在俯仰角90。处具有奇异性旧J，因此基于欧拉角的姿态系统角度