激光陀螺自适应滤波算法的研究及FPGA实现

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如何在满足高精度的前提下降低滤波器的群延迟一直是相关各大高校及科研院所的研究重点。滤波器群延迟的降低能直接提高激光陀螺模块的动态响应速度,直接提高动态环境下导航的精度。现有高阶FIR滤波方式、IIR滤波方式以及IIR陷波方式都存在自身的缺点,无法同时满足高精度、低群延迟、通带相位线性的要求。由于不同激光陀螺的机抖频率相差较大,现有激光陀螺滤波模块也很难实现对所有激光陀螺滤波的通用性。基于LMS算法的自适应滤波器具有几乎为零的群延迟,能自适应高精度地剥除某些频率成分的信号,因此利用LMS自适应滤波器来实现激光陀螺抖动信号剥除成为激光陀螺滤波领域最理想的方案。文中首先分析了激光陀螺输出方波信号的成分,确定了自适应滤波器的通带和阻带。随后文中根据自适应滤波器参考信号和滤波器输入信号的关系,选取了激光陀螺模块中的机抖反馈信号作为滤波器输入信号,并利用建立的自适应滤波器输入模型,在MATLAB中对激光陀螺LMS自适应滤波器进行了仿真,确立了滤波器的具体参数,并通过仿真结果对基本LMS自适应滤波器模型进行了优化。文中随后重点对建立的优化后的激光陀螺自适应滤波器的实现方案进行了讲解,首先简要介绍了自适应滤波模块的电路设计,随后重点讨论了利用FPGA实现浮点激光陀螺自适应滤波器的设计具体方法,给出了模块的设计框图、流程及部分仿真结果。为了提高自适应滤波模块的滤波精度,降低输出数据的抖动,我们在LMS自适应滤波器的后端增加了20阶的低通FIR滤波器,通过LMS自适应滤波+低阶FIR滤波的方式,很好地实现了对激光陀螺输出信号高精度、低延迟的处理。最后通过将本模块和激光陀螺联试,通过对激光陀螺在静态、动态的测试得出了本自适应滤波模块具有很高的精度和动态响应范围,由于在静态和动态测试的时候采用的是两个不同类型的激光陀螺,正好也测试了自适应滤波模块对不同激光陀螺的通用性。通过对滤波模块输出延时测试,得到本模块的处理延时为1.1ms,远远低于常规方法的10ms延迟时间。
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