基于FPGA的卡尔曼滤波器的设计与实现
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2013-12-09
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中
国
大 学
生
电 子 设 计
文
章竞 赛
2 0 0 8
基 于
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曼
滤
波器的设计与实现
仲
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北
京科 技 大 学 机 械
工
程 学 院 机 械
电 子 工 程
系
,
北
京
10 0
08 3)
摘 要
:
采
用
FP
G A
硬 件 实 现 卡 尔 曼 滤
波 器
,
解
决 了
采
用 D SP
软 件
方
法 实现 存 在
的
并行 性 和 速 度
问
题
。
以
基
于
F P G A
的
数 据 采 集 系统 为 硬 件 平 台
,
根
据 模 块 化 设 计 思 想
,
采
用
V H D L
编 程 实现
A D
S8 36
4
芯 片控 制 模 块
,
利
用
FPG A
的
系统 级 设 计
工
具
D S
P B
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设 计 卡
尔
曼滤 波
器
模 块
,
给
出
模 块
的 软 件 仿 真
结
果 并 完 成 整 个 系 统
的
硬
件 验 证
。
结
果 证 明
了
设 计
的
正
确
性
,
同
时 表
明
采
用
D
SP
B
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使 卡 尔 曼滤 波
器 的
FP
G
A
硬
件 实现 更 加 简单
,
速 度 更 快
。
关 键 词
:
FPG A
;
卡 尔 曼滤 波
器
;
A
D
S 8
3 64
;
D
S
P B
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11
卡 尔 曼 滤 波 采 用 状 态 空 间 法 在 时 域 内设 计 滤 波 器
,
是 一 种 最 优估 计算 法
,
应 用 广 泛
。
卡 尔 曼 滤 波 器 通 常 由
D
S
P
处 理 器 来 实 现
。
使用
D SP
处 理 器 设 计 简 单 灵 活
,
可
直 接 采 用
C
语 言 矩 阵 运 算
ll]
,
但 在 要 求 较 高 的 场 合
,
其
采 用 程 序 顺 序 执行 的
C PU
架 构 不 能 满 足 实 时 的 需 要
。
而 用
FP
G A
实现 卡
尔
曼 滤 波 器
,
采 用 硬 件 并 行 算法 能 很
好地 解 决速 度 和 实 时性 的 问题
,
并 且 具 有 灵 活 的 可 配 置
特 性 和 优 良 的 抗 干 扰 能 力
121
,
使 得
F
P
G
A
构 成 的 数 字 信
号 处 理 系 统 非
常
易于 修 改
、
测 试 和 硬 件 升 级
。
通 常
,
数 字 滤 波 器 的
FPG A
实 现 是 用
V H D L
或
V
e
卜
11
09
H
D L
等 硬 件 描 述 语 言 通 过 编 写 底 层 代 码 实 现
。
这 种
方 式 效 率 低
、
难 度大
。
利 用 Al
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公 司
F
P
G
A
的
D SP
开
发 工 具
D
S
P
B ui l
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设 计 卡 尔 曼 滤 波 器
,
比
基 于 硬 件 描
述 语 言 的 设 计周 期 更 短
,
设 计 更 容 易
。
本 文
以
基 于 现 场 可 编 程 逻 辑 门 阵 列
FP
G A
器 件 和 模
数转 换 器设 计 的 数 据采 集 系 统 为 硬 件 平 台
,
基 于 模 块 化
设 计 思 想
,
设 计
了
时 钟 分 频 模 块
、
AD
转 换 芯 片 的 控 制 模
块 和 卜尔曼 滤 波 模 块
。
卡 尔 曼 滤 波
模
块 采用
D
S
P B
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2 0
欢
迎
网
上
投
稿
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,
转 换 成
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D L
后
,
采 用 软 件
M
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、
Q
u
art
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ll
对
其 进 行 仿 真 并 完 成 硬 件 验 证
。
1
卡尔 曼 滤 波 原 理
卡 尔 曼 滤 波 是 一 种 线 性 最 小 方 差 估 计算 法
,
它 考 虑
了 系 统 的 模 型 误 差 和 测 量 噪 声 的 统 计 特性
}
’
川
。
卡 尔 曼
滤 波 的 一 般 方 程 在 许 多 文 献 中 有 详 细 讨论
,
本 文 直 接 引
用 其 结 论
。
设 随 机 线 性 离 散 系 统 的 状 态 方 程 为
:
x 、
、
1=
叭
+
】. 、二 、
+
八
呱
+
认
仍
*
观 测 方 程 为
:
为
=
仇
拟
十
叭
式 中
介
为 系 统 的 状 态 向 量
,
羚
为 系 统 的 观 测 序 列
,
。
、
为 系 统 的 过 程 噪 声
序
列
,
。‘
为 观 测 噪 声 序 列
,
u *
为 系
统 控 制 输 人
,
巾
‘
川
、
为 状 态 转 移 矩 阵
,
c *
为 观 测 矩 阵
。
aJ
、
、
: 、
为 零 均
值
白 噪 声 且 互 不 相 关
。
先 不 考 虑 有 规 律 信号
u 、
,
假 设
琳
=
0
。
设
k
时 刻 的 状
态 估 计 值 为
:
芜
* =
无
。 *
一
:
+
凡
(
外
一
仇
牙
、;
卜
1
)
,
下 面 给 出 卡尔 曼 滤
波 的 递 推 步 骤
。
《
电 子
技
术 应 用
》
20 08
年 第
8
期
评论1
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