基于FPGA的纳米定位平台控制器的滤波器设计

发布时间：2017-10-17 06:00

  本文关键词：基于FPGA的纳米定位平台控制器的滤波器设计

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【摘要】：纳米定位技术是前沿科学、工程技术领域的关键技术之一。纳米定位技术通常是以纳米定位平台控制系统的形式来实现,而对于纳米定位平台控制系统而言,由于存在信号采集和量化噪声、系统本身的机械噪声,直接影响纳米位移平台的定位精度。针对纳米平台运动过程中噪声信号对平台定位精度的影响,进行数字滤波算法的设计仿真和实验研究。论文主要工作内容如下:(1)介绍了纳米定位平台控制器的滤波器设计意义;介绍了国内外纳米定位平台控制器和数字滤波器的发展现状。说明我国针对纳米定位平台控制器的滤波器设计的研究尚处于初级阶段。(2)对纳米定位平台运动过程中存在的噪声特点进行分析,得出存在的噪声为随机噪声。由于采用普通选频滤波器无法进行滤除,本文采用卡尔曼滤波器来滤除该类噪声。建立了卡尔曼滤波算法的信号模型,并且详细的阐述了卡尔曼滤波算法的推导过程。(3)介绍了纳米定位平台控制系统的整体组成结构。对纳米定位平台的系统进行分析,并建立了纳米位移定位平台模型。利用卡尔曼滤波算法对纳米位移平台进行滤波,并利用MATLAB进行仿真观察滤波效果。通过改变过程噪声和观测噪声的幅值,来观测对卡尔曼滤波器的滤波效果的影响。仿真结果表明卡尔曼滤波器能够使纳米位移平台的定位偏差最大为7nm,定位精度得到了明显的改善。(4)对市场上主流的FPGA芯片进行了介绍了,阐述了FPGA芯片的工作原理和内部组成结构。介绍了该纳米定位平台控制器中FPGA芯片的特点和所具有的功能,并且对FPGA的开发工具以及开发流程和指导原则进行了详细的说明,为后序的FPGA开发提供了良好基础。(5)在纳米定位平台控制系统中以FPGA作为控制器来验证卡尔曼滤波算法的有效性和可行性。利用MATLAB/Simulink中的DSP Builder工具和Quartus II工具相结合,实现了纳米位移定位平台控制器的滤波器设计和仿真操作。根据实际响应曲线对比得知,采用本文设计的滤波算法能够有效滤除控制系统中产生的噪声,验证了算法的可行性。综上所述,本文主要对纳米定位平台控制器的滤波器算法进行了研究,实验结果表明了所提算法的可行性,有效保证了系统的定位精度。纳米定位平台控制器的滤波器设计的提出,对相关类似系统的滤波器算法设计具有一定的借鉴价值。
【关键词】：纳米定位平台控制器 卡尔曼滤波器 FPGA DSP Builder
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN791;TN713
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 纳米定位平台的国内外发展现状12-13
• 1.3 数字滤波器的发展现状13-15
• 1.4 本文研究的主要内容以及结构安排15-17
• 第二章 卡尔曼滤波理论17-29
• 2.1 卡尔曼滤波的历史发展17-18
• 2.2 卡尔曼滤波的信号模型18-19
• 2.3 卡尔曼滤波算法的推导过程19-23
• 2.4 卡尔曼滤波器的性能分析23-25
• 2.4.1 稳定性分析23-24
• 2.4.2 误差分析24-25
• 2.5 卡尔曼滤波算法的优势25-27
• 2.6 本章小结27-29
• 第三章 纳米定位平台控制器中卡尔曼滤波器算法设计与仿真29-39
• 3.1 纳米定位平台系统的整体结构29-30
• 3.2 纳米定位平台系统的分析30-31
• 3.3 纳米定位平台卡尔曼滤波估计模型的建立31-32
• 3.4 纳米定位平台卡尔曼滤波估计模型的更新原理32
• 3.5 卡尔曼滤波算法的MATLAB仿真32-37
• 3.6 本章小结37-39
• 第四章 FPGA的系统设计39-49
• 4.1 FPGA简介39
• 4.2 FPGA的原理与结构39-41
• 4.3 开发工具和基本设计流程41-45
• 4.4 FPGA设计的指导原则45-47
• 4.4.1 面积和速度的平衡与互换原则45-46
• 4.4.2 硬件原则46
• 4.4.3 系统原则46-47
• 4.4.4 同步设计原则47
• 4.5 本章小结47-49
• 第五章 基于FPGA的卡尔曼滤波器的设计与实现49-53
• 5.1 器件的选择49
• 5.2 卡尔曼滤波器的设计49-51
• 5.2.1 卡尔曼滤波器的设计流程49-50
• 5.2.2 卡尔曼滤波算法的分解50-51
• 5.3 卡尔曼滤波器的模块化设计与实现51-52
• 5.4 本章小结52-53
• 第六章 结论53-55
• 6.1 结论53
• 6.2 展望53-55
• 参考文献55-59
• 作者简介59
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文59-61
• 致谢61-62

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本文编号：1047157