面向无人机航迹预测的机载可重构计算系统研制

发布时间：2017-09-24 08:31

  本文关键词：面向无人机航迹预测的机载可重构计算系统研制

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【摘要】：随着航空航天技术的飞速发展,无人机以其低成本和高灵活性等优势,在军用、民用和消费等领域正得到越来越广泛的应用。航迹预测则是保证无人机平稳安全完成飞行任务的关键技术之一,它将预测结果反馈给无人机飞行控制系统,为系统健康管理的决策提供信息支持。受限于无人机机载平台对实时性、功耗和体积的要求,基于向量处理器的嵌入式可重构计算系统以其低功耗、高性能的特点,可为航迹预测的实现提供通用性的计算平台。本文研制以异构ZYNQ So C器件为核心处理器的机载硬件平台。在此平台基础上,基于通用性强、高性能的向量处理器架构,面向航迹预测的实际应用,完成可重构计算系统的研制。并以EKF算法为例,进行实例设计,对系统的数据处理延迟、性能和功耗等方面进行测试与分析。首先,完成机载可重构计算系统硬件平台设计及研制。硬件平台以兼具通用处理器对串行任务的控制能力和FPGA并行计算能力的ZYNQ So C器件作为核心处理器,以DDR3 SDRAM作为数据存储器,以异步RS-422接口与无人机进行数据交互。其次,在硬件平台基础上,完成基于向量处理器的可重构计算系统设计。该系统能为向量计算加速,同时可为航迹预测提供高性能的计算平台、灵活便捷的外设通讯接口,以及大容量的外部数据存储。在ZYNQ的PL部分实例化向量处理器和RS-422通讯控制器,在PS部分设计软件程序代码,协同设计为机载可重构计算系统提供指令动态加载和与外设进行数据交互的能力。最后,以航迹预测算法中最典型的EKF算法为例,对机载可重构计算系统进行实例设计与分析。对系统的存储容量、数据处理延迟、性能和功耗等指标进行测试,根据结果分析本文研制面向无人机航迹预测的可重构计算系统的优势。
【关键词】：无人机 航迹预测 ZYNQ 向量处理器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状及分析9-13
• 1.2.1 无人机航迹预测国内外研究现状9-10
• 1.2.2 嵌入式可重构计算系统国内外研究现状10-13
• 1.3 主要研究内容13
• 1.4 论文组织结构13-15
• 第2章 机载可重构计算系统硬件平台设计15-28
• 2.1 硬件平台总体设计15-19
• 2.1.1 技术指标与需求分析15-16
• 2.1.2 核心处理器选型16-18
• 2.1.3 硬件平台设计方案18-19
• 2.2 数据处理模块设计19-23
• 2.2.1 ZYNQ概述19-22
• 2.2.2 电源子模块设计22
• 2.2.3 时钟子模块设计22-23
• 2.2.4 串口子模块设计23
• 2.3 数据存储模块设计23-26
• 2.3.1 缓存子模块设计23-25
• 2.3.2 配置存储子模块设计25-26
• 2.4 数据接口模块设计26
• 2.5 本章小结26-28
• 第3章 基于向量处理器的可重构计算系统设计28-42
• 3.1 总体设计28-29
• 3.2 ZYNQ PL部分结构设计29-39
• 3.2.1 向量处理器概述30-35
• 3.2.2 向量处理器接口设计35-36
• 3.2.3 RS-422通讯控制器设计36-39
• 3.3 ZYNQ PS部分软件设计39-40
• 3.4 PL与PS互联结构设计40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 航迹预测的实例分析42-54
• 4.1 航迹预测方案42-48
• 4.1.1 测试系统搭建方案43-44
• 4.1.2 航迹预测算法实现方案44-48
• 4.2 航迹预测结果与分析48-53
• 4.2.1 通讯控制器测试48-49
• 4.2.2 存储容量测试49
• 4.2.3 精度分析49-50
• 4.2.4 延迟测试50-51
• 4.2.5 性能测试51-52
• 4.2.6 功耗测试52-53
• 4.3 本章小结53-54
• 结论54-55
• 参考文献55-59
• 附录一 机载可重构计算系统硬件平台59-60
• 攻读学位期间发表的学术论文及发明专利60-62
• 致谢62-63

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本文编号：910403