摘要无陀螺捷联导惯性航导航系统（GFSINS）是指舍弃陀螺仪而直接把加速度计安装在载体上，通过对加速度计输出的比力信号进行解算从而得到导航参数的惯性导航系统捷联惯导系统同平台式惯导系统相比具有可靠性高、寿命长、节省体积空间等优点无陀螺捷联惯导系统因为舍弃了陀螺仪，与有陀螺的捷联惯导系统相比具有低成本、低功耗、反应速度快、动态范围大等优点随着深亚微米技术的出现，现场可编程逻辑门阵列（FPGA）得到了迅猛发展，也使得可编程片上系统（SOPC）成为未来嵌入式系统设计技术发展的必然趋势[1]本论文根据以九加速度计为配置方案的无陀螺捷联导航计算机的特点和应用要求，提出了基于FPGA的无陀螺捷联惯性导航系统的硬件设计方案系统主要包括数据采集模块和数据解算模块两部分数据采集模块由STM32负责控制两片AD7656将9个加速度计输出的模拟信号转换为数字信号数据解算模块采用Altera公司的FPGA芯片，利用SOPC技术完成FPGA内部硬件逻辑的构建，核心算法由高性能32位Nios II处理器完成，实现了浮点运算最后完成了原理图和PCB设计，研制了实验样机，为无陀螺捷联惯性导航系统的进一步研究工作奠定了基础。
关键词：GFSINS；导航计算机；FPGA；SOPC；STM32；双口RAMAbstractGyroscope Free Strapdown Inertial Navigation System(GFSINS) is a kind of Inertial Navigation System, accelerometers are derectly fixed in the carrier without using gyroscope. So acceleration is the exclusive in formation source, we can get all the navigation parameters by computing. Compared with The Platformtype Inertial Navigation System The Strapdown Inertial Navigation System is high reliability, longevity, small volume and so on. Compared with Strapdown Inertial Navigation System with gyroscope, GFSINS is low cost, low power, promote reaction, wide dynamic range and so on. With the emergence of submicron technology, FPGA chips have become more and more popular, thus making the system on a programmable chip (SOPC) design the mainstream technique in embedded system design field.Take the features and application requirements of gyroscope free strapdown inertial navigation system with nine accelerometers into consideration, the thesis put forward a hardware design scheme of gyroscope free strapdown inertial navigation computer based on FPGA. The system includes data acquisition module and data decoding module two parts. In the data acquisition module, two AD7656 chips will change the analog signals from nine accelerometers into digital signals controlled by STM32. In the data decoding module, the internal hardware logic of FPGA is constructed by SOPC technology. The key algorithm is accomplished by high-performance 32-bit processor Nios II, in which realized the floating point arithmetic. Finally, the principle chart and PCB design is finished, making a test model, laying the foundation for the further research work of GFSINS. Keywords：GFSINS；Navigation computer；FPGA；SOPC；STM32；DPRAM不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- I -目录摘要 IAbstract II第1章 绪论 11.1 惯性导航系统简介 11.1.1 惯性导航系统的分类 11.1.2 无陀螺捷联惯导系统 31.2 导航计算机发展简介 31.3 论文的意义和主要内容 4第2章 系统总体设计方案 62.1 无陀螺捷联惯导系统的工作原理 62.2 导航计算机的整体工作流程 72.2.1 导航计算机的性能要求 82.3 核心器件的选型 82.3.1 加速度计选型 82.3.2 A/D芯片选型 102.3.3 双口RAM IDT 7133 132.3.4 微控制器选型 152.3.5 FPGA选型 162.4 本章小结 17第3章 数据采集模块 183.1 加速度计硬件连接设计 183.2 加速度计调理电路 193.2.1 减法电路 193.2.2 低通滤波电路 203.3 AD7656管脚连接设计 213.4 基于双口RAM的双CPU通讯电路 243.5 采集系统的供电电源设计方案 253.5.1 +5V到-5V电压转换电路 263.5.2 +5V到-3.3V电压转换电路 273.6 集成开发环境介绍 273.6.1 Real View MDK简介 273.6.2 Vision IDE 283.7 本章小结 29第4章 数据解算模块 314.1 相关技术介绍 314.1.1 Nios II简介 314.1.2 SOPC技术 324.1.3 Quartus II简介 344.1.4 SOPC Builder简介 364.2 FPGA内部逻辑资源的设计过程 374.3 Nios II 集成开发环境（IDE） 434.4 本章小结 44第5章 导航计算机系统调试 455.1 硬件调试 455.2 软件调试 455.2.1 数据采集模软件调试 455.2.2 数据解算模块软件调试 485.3 测试过程中出现的问题及解决的方法 495.4 本章小结 50结论 51参考文献 52附录 53攻读学位期间发表的学术论文 54致谢 55索引 56个人简历 57千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。
在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 惯性导航系统简介导航是指如何引导某载体从一个地方到另一个地方的技术或者方法，所以要想对载体成功的导航需要载体实时的导航参数，即位置、速度和姿态，载体包括车辆、导弹、飞机、宇宙飞行器、舰船、潜艇等导航一般可以分为自主式导航和非自助式导航惯性导航是20世纪中期才发展起来的一门技术，是根据牛顿惯性定理，利用载体上的惯性敏感元件（陀螺仪、加速度计），测量载体相对惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的初始条件下，输出载体的姿态参数和导航定位参数[2]惯性导航系统是自主式导航系统，不依赖外界信息，就可以获得相应的导航定位参数，而且也不向外辐射能量，因此隐蔽性比较好，广泛的应用于航天、航空和航海领域中[3]惯性导航系统的特点：1 自主性强：惯性导航比较适合军用对全天候和抗磁、电、光的能力的要求惯性导航不像天文导航要观测天体，也不同于无线电导航和卫星导航需要地面台站，惯性导航可以不依赖地面或天空的任何辅助设备而完成导航任务，适于全球导航2 提供导航参数多：无线电和天文导航只能提供位置信息，多普勒和卫星导航只能提供速度和位置信息。
惯性导航有“中心信息源”之称，可以提供加速度、速度、姿态、航向和位置，全部的导航参数所以惯性导航广泛的应用于航空、航天、航海领域，也会被用在大地测量、地质勘探等方面的定位、测斜工作1.1.1 惯性导航系统的分类从结构上区分，惯性导航系统主要分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统两大类平台式惯性导航系统：将惯性元件陀螺仪和加速度计，通过万向支架角运动隔离系统与运动载物固联的惯性导航系统陀螺仪可以敏感到平台的角运动，平台通过稳定回路可以跟踪某一给定的坐标系（如地理坐标系），加速度计可以输出某一轴向的比力信息，经过导航计算机的运算可以提取出载体的加速度，进而计算出载体的速度、位置等信息惯性导航系统早期只有平台式惯导系统，直到20世纪70年代，才出现了捷联式惯性导航系统图1.1 平台式惯性导航系统原理框图捷联式惯性导航系统：将陀螺仪和加速度计直接安装在运动载体上，利用数学平台对导航参数进行计算的惯性导航系统图1.2 捷联式惯性导航系统原理框图捷联式惯性导航系统因为省去了机电式的导航平台，从而使整个系统的体积、重量和成本大大的降低；惯性原件更加便于安装和维护；加速度计可以给出载体轴向的线加速度和陀螺仪可以给出角速度。
但是也不能说捷联式惯性导航系统就取代了平台式惯性导航系统，平台式惯性导航系统最大的优点就是精度高，高精度的导航系统，如舰船的导航仍然多采用平台式惯性导航系统；捷联式惯性导航系统多用于长时间工作、对系统稳定性要求比较高或者对导航系统体积有要求情况中，还有些时候一个载体上同时使用平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统，以满足特殊的工作环境和性能要求1.1.2 无陀螺捷联惯导系统无陀螺捷联惯导系统（GFSINS）就是指惯性原件只有加速度，舍弃陀螺仪，从加速度计测量的比力中解算出载体的角速度信息的系统[4]通常情况下，惯性导航系统中都是采用陀螺仪测量载体的角速度信息，采用高性能陀螺仪可以获得很高的导航精度，但是这需要很高的成本，而且当载体具有很大的线加速度或者很大的角速度时，需要陀螺承受很大的冲击，而陀螺仪最大的弱点就是抗冲击能力差因此无陀螺捷联惯性导航系统相对于有陀螺的捷联惯性导航系统具有动态测量范围大、可靠性高、成本低、使用寿命长、启动时间短等优点利用加速度计代替陀螺仪实现角速度的测量思想是由国外最先论证的如何采用加速度计测量角加速度的原理第一次被论述是Victor B.Corey在1962年提出来的，他还提出了一种加速度计简单的编排方案。
舍弃陀螺而只采用加速度计测量载体角速度的想法是DiNapoli于1965年在他的硕士论文中提出的同年，V.。