一种基于角速度和FPGA的欧拉角直接输出方法

摘要

本发明涉及一种基于角速度和FPGA的欧拉角直接输出方法，用于解决现有的欧拉角直接输出方法计算精度差的技术问题。该方法通过改进现有方法的复杂度，同时保证计算精度，然后基于FPGA并行计算理念优化计算表达式，以此完成算法并行性设计。在此基础上，通过设计嵌套状态机和流水计算结构，实现算法的实时有效计算；通过ROM表简化非线性函数计算，通过余弦倒数表，约简了除法运算，使得计算结构更为精简，以此完成算法硬件化设计。角速度陀螺输出的角速度通过串口接收，将其编码为整数，再通过查表和多次乘法更新欧拉角，最后将欧拉角解码并用串口输出到上位机，监视性能。只需当前角速度和上一时刻的欧拉角，便可直接输出当前的欧拉角，提高了计算精度。

主权项

一种基于角速度和FPGA的欧拉角直接输出方法，其特征在于包括以下步骤：(a)首先计算滚转角增量：(b)查表计算B阵：(c)并行计算欧拉角：(d)在FPGA中设计嵌套状态机实现欧拉角的并行和流水计算：设计姿态计算IP完成嵌套状态机对计算流程的控制，直接输出当前时刻的欧拉角；具体步骤如下；1)设置初始化欧拉角：计算流程通过设计嵌套状态机来实现，嵌套状态机按顺序流程进行，并行过程在顺序流程的参考下进行；状态机初始状态和复位后的状态为作业分割和作业同步，使得开始可输入欧拉角；然后进入欧拉角输入状态，欧拉角在握手信号的监视下输入，即测试模块先输出欧拉角和欧拉角有效信号，欧拉角计算IP在接收到欧拉角有效信号后，将欧拉角读入、将向测试模块请求数据的信号置低，然后进入等待状态，直到欧拉角有效信号为低时，再向测试模块请求数据，并进入下一个欧拉角的输入状态，直到三个欧拉角均输入完毕，进入角速度的输入过程；2)可靠输入(k+1)T时刻的角速度：欧拉角只在初始时刻输入，或需校正时输入，而角速度要求按角速度陀螺的频率周期性的输入；角速度的输入过程同初始欧拉角的输入过程；输入完毕之后进入查表状态，并再次进行作业分割与同步，使得满足查表得输入输出要求；3)基于正弦和余弦倒数ROM表计算查表过程细分为数据域调整、弧度到角度的调整、数据输出、查表等待和读入数据五个状态；数据域调整过程，使得查表欧拉角的范围处于2^N[‑π，π]，2^N为数据精度描述放大倍数；弧度到角度的调整先将数据乘以57近似地表达为角度，再进行移位定标，使得数据处于[‑180，180]，再由三角函数关系，计算查表输出欧拉角和查表结果符号；数据输出过程，再次分割作业与同步，输出查表输出欧拉角和查表结果符号；查表等待过程，读写ROM需要两个时钟，数据才可稳定；读入数据过程，读入查表结果，并进行符号调整；4)基于硬件乘法器的欧拉角计算。