《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DSP的實(shí)時(shí)姿態(tài)感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
趙雨婷，邢計(jì)元，張東鑰，任暢
中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所
摘要： 提出一種基于TMS320F28375S數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的高精度實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)融合三軸磁通門傳感器與微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)的六軸慣性數(shù)據(jù)，結(jié)合自適應(yīng)卡爾曼濾波算法，實(shí)現(xiàn)俯仰角±0.1 °、航向角±0.5°的高精度測(cè)量。系統(tǒng)采用Δ-Σ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADS131M04）實(shí)現(xiàn)128 kSPS同步采樣率，并利用DSP內(nèi)置的三角函數(shù)加速單元（TMU）將姿態(tài)解算周期壓縮至0.8 ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在模擬動(dòng)態(tài)干擾環(huán)境下，系統(tǒng)姿態(tài)更新率達(dá)1kHz，功耗低于1.5 W，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方案，滿足無(wú)人機(jī)、自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）等移動(dòng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)控制需求。
中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256763
中文引用格式： 趙雨婷，邢計(jì)元，張東鑰，等. 基于DSP的實(shí)時(shí)姿態(tài)感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(11)：76-82.
英文引用格式： Zhao Yuting，Xing Jiyuan，Zhang Dongyao，et al. Design of real-time attitude sensing system based on DSP[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(11)：76-82.
Design of real-time attitude sensing system based on DSP
Zhao Yuting，Xing Jiyuan，Zhang Dongyao，Ren Chang
The Sixth Research Institute of China Electronics Corporation
Abstract： This paper proposes a high-precision real-time attitude measurement system based on the TMS320F28375S Digital Signal Processor (DSP). By fusing six-axis inertial data from a triaxial fluxgate sensor and Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) accelerometer with an adaptive Kalman filtering algorithm, the system achieves high-precision measurement with ±0.1° pitch angle and ±0.5° yaw angle accuracy. The system employs a Δ-Σ analog-to-digital converter (ADS131M04) to achieve 128 kSPS synchronous sampling rate, while utilizing the DSP's built-in Trigonometric Math Unit (TMU) to reduce the attitude calculation cycle to 0.8 ms. Experimental results demonstrate that under simulated dynamic interference conditions, the system attains a 1 kHz attitude update rate with power consumption below 1.5 W, significantly outperforming conventional solutions. The system meets the real-time control requirements for mobile platforms such as Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and Automated Guided Vehicles (AGVs).
Key words : attitude measurement；DSP；sensor fusion；Kalman filter；real-time system

引言

在自主移動(dòng)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)及智能運(yùn)載工具領(lǐng)域，精準(zhǔn)的姿態(tài)感知是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定導(dǎo)航與控制的核心前提。然而，傳統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)面臨顯著技術(shù)挑戰(zhàn)：一方面，低成本MEMS陀螺儀雖具備高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，但其輸出易受溫度漂移和積分誤差影響，導(dǎo)致長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足；另一方面，單一加速度計(jì)無(wú)法有效區(qū)分重力加速度與載體運(yùn)動(dòng)加速度，在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下誤差顯著；此外，磁通門傳感器雖能提供絕對(duì)航向信息，但易受電機(jī)、電源線等電磁干擾，導(dǎo)致航向角漂移。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究提出一種硬件-算法協(xié)同優(yōu)化的解決方案。硬件層面以TMS320F28375S型DSP為核心，集成浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）與三角函數(shù)加速單元（TMU），配合雙通道24位Δ-Σ ADC（ADS131M04）實(shí)現(xiàn)磁通門與加速度計(jì)信號(hào)的同步高精度采樣；算法層面設(shè)計(jì)改進(jìn)型擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）融合六軸慣性數(shù)據(jù)，引入基于橢球擬合的硬磁干擾在線補(bǔ)償機(jī)制，并通過(guò)直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸效率[1-3]。

現(xiàn)有姿態(tài)感知系統(tǒng)多采用單一傳感器或簡(jiǎn)單融合算法，難以滿足復(fù)雜環(huán)境下的高精度需求。例如，基于四元數(shù)的互補(bǔ)濾波算法雖計(jì)算量小，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)不足；傳統(tǒng)卡爾曼濾波對(duì)非線性系統(tǒng)建模能力有限。近年來(lái)，研究者開始探索多傳感器融合方案，如Mahony濾波器和Madgwick算法通過(guò)梯度下降法優(yōu)化姿態(tài)估計(jì)，但依賴手動(dòng)調(diào)參且抗磁干擾能力弱；部分研究采用FPGA并行計(jì)算姿態(tài)解算，但功耗與成本較高；部分研究提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地磁補(bǔ)償算法，但實(shí)時(shí)性不足[4-6]。本研究通過(guò)結(jié)合高性能DSP的硬件特性與自適應(yīng)濾波算法，在精度、實(shí)時(shí)性與功耗之間取得平衡。


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作者信息：

趙雨婷，邢計(jì)元，張東鑰，任暢

（中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京 100083）


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