Kalman濾波理論在20世紀60年代一經(jīng)提出,，便得到了軍事,、控制、通信等領域的極廣泛的應用,。它可以實現(xiàn)隨機干擾下的線性動態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)估計,，目前Kalman濾波器的實現(xiàn)方式主要有兩種,，一是在PC機上實現(xiàn)，可以同時滿足計算精度和實時性的要求,，但是PC機體積大,，質量重，成本高,；二是通過DSP等芯片來實現(xiàn),，用這種方式實現(xiàn)的Kalman濾波器雖然體積小，質量輕,，但是因其指令順序執(zhí)行的CPU架構,，在系統(tǒng)復雜時無法滿足系統(tǒng)的實時性要求。隨著控制系統(tǒng)的復雜性的提高,，系統(tǒng)的階次變大,，如組合導航系統(tǒng)的濾波，其濾波的階次一般都要18階,，如果對系統(tǒng)進一步細化建?；蛟黾悠鋸碗s性，其濾波階次可以達到幾十階,。因此,，Kalman濾波器在工程應用中的實現(xiàn)遇到了系統(tǒng)體積,、重量,、成本和系統(tǒng)精度、速度等性能不能兼顧的問題,。隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展,，FPGA具有系統(tǒng)結構和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點,，可以很好地解決這個難題,。因為FPGA采用的是硬件并行算法，能很好的解決速度和實時性的問題,，并且其具有靈活的可配置特性和優(yōu)良的抗干擾能力,，使得FPGA構成的數(shù)字信號處理系統(tǒng)非常易于修改、測試及硬件升級,。隨著FPGA技術的不斷成熟,，其內(nèi)嵌資源不斷豐富，硬核乘法器和塊RAM的數(shù)目不斷增長,，使得FPGA實現(xiàn)復雜的數(shù)字信號處理算法變得更為簡單和快速,。因此，本文對FPGA技術和Kalman濾波算法進行結合研究,，探索Kalman濾波算法在FPGA中的實現(xiàn)方式并進行性能驗證,，以對基于FPGA的Kalman濾波算法的工程實現(xiàn)提供參考,。

1 Kalman濾波算法理論

Kalman濾波是在時域內(nèi)以信號的一、二階統(tǒng)計特性已知為前提,、以均方誤差極小為判據(jù),，能自動跟蹤信號統(tǒng)計性質的非平穩(wěn)變化，具有遞歸性質的一種算法,。它處理的對象是隨機系統(tǒng),，并能正確估計出有用信號。設離散系統(tǒng)差分方程如下：



則Kalman濾波方程組如下：

狀態(tài)一步預測方程：



從式(1)～(6)可知,，若利用傳統(tǒng)的處理器實現(xiàn)Kalman濾波算法,，由于其指令執(zhí)行的順序性，至少需要分為5步來實現(xiàn),，其中每一步還都需要進行至少1次的加法和乘法等運算,，每次運算都要順序執(zhí)行，其執(zhí)行速度和效率很低,；如果利用FPGA來進行Kalman濾波,，根據(jù)其各步的邏輯關系，可以分為3步來實現(xiàn),，即第一步計算狀態(tài)一步預測值和一步預測均方誤差Pk+1／k,，第二步計算濾波增益Kk+1，第三步計算狀態(tài)最優(yōu)估值和估計均方誤差Pk+1／k+1,。由此可知,，利用FPGA技術可以實現(xiàn)Kalman濾波的并行計算，壓縮計算時間,，提高解算速度,。因此，對FPGA的Kalman濾波進行研究開發(fā),，可實現(xiàn)基于FPGA的快速Kalman濾波解算,，滿足在對實時性要求更高的環(huán)境中使用。

2 在FPGA中實現(xiàn)Kalman濾波算法研究

由于FPGA實現(xiàn)Kalman濾波解算速度非?？?，若利用FPGA的串行口依次輸入觀測值，由于數(shù)據(jù)串行輸入的特點,，會使FPGA的解算部分等待數(shù)據(jù)接收完畢才能執(zhí)行濾波解算,，導致整體的解算時間過長。為檢驗FPGA實現(xiàn)Kalman濾波器的計算性能,，本文預先將觀測值輸入并保存于FPGA內(nèi)的ROM中,，以使FPGA可以連續(xù)地進行濾波解算，實現(xiàn)方案原理如圖1所示。



圖1中,，Kalman濾波解算在FPGA內(nèi)完成,，RAM和ROM使用FPGA內(nèi)嵌的硬件RAM存儲器，其中RAM暫存每步的中間結果,，ROM存放濾波中的固定系數(shù),，如觀測矩陣、噪聲系數(shù)陣等,。Kalman濾波的解算過程主要利用內(nèi)嵌的硬核乘法器等資源來完成,。因解算速度較快，解算結果暫存于一個稍大的存儲器內(nèi),，同時通過串行口輸出到PC機上保存用于分析,。該方案的關鍵問題是在FPGA中實現(xiàn)Kalman濾波算法。

FPGA實現(xiàn)Kalman濾波器,，其實質就是控制數(shù)據(jù)的轉移和存儲并實現(xiàn)矩陣的相乘,、加、減,、求逆等運算,。其中，數(shù)據(jù)的轉移控制需要有限狀態(tài)機(FSM)來完成,，同時FPGA設計中,，不可避免的會遇到資源與速度的問題。因此,，需要對上述各關鍵技術進行研究和實現(xiàn),。

2．1 矩陣相乘在FPGA中的實現(xiàn)

Kalman濾波計算中最基本的步驟就是矩陣相乘。對于其中最常見的D=A×B×C型的矩陣相乘,，有兩種實現(xiàn)方式：方式一,，分步相乘,；方式二,，直接相乘。事先將矩陣A,，B,，C分別存入ROM1，ROM2,，ROM3中,，方式一中，首先進行兩個矩陣的相乘,，多路選擇開關MUX選通ROM1和ROM2,，依次讀取其中的數(shù)據(jù)進行乘加，完成前面兩個矩陣的相乘,，結果存入ROMTEMP中,；然后,，MUX選通ROMTEMP和ROM3，利用前面同樣的資源,，完成三個矩陣的連乘,。方式二中，ROM1,，ROM2,，ROM3同時輸出數(shù)據(jù)，MUX根據(jù)解算需要配置乘法器和加法器的輸入,，所有的過程同時進行,。從上面的執(zhí)行過程可知，方式一的執(zhí)行需要占用更多的時間,，而方式二的執(zhí)行會占用更多的資源,。對于上述N階的3個矩陣相乘，其占用資源和所需時間如表1所示,。



由表1可知,，對于維數(shù)越大的矩陣相乘，需要的浮點加法器越多,。由于浮點加法器的生成利用FPGA內(nèi)的基本邏輯單元——可配置邏輯塊(CLB),，所以其占用的CLB等資源也越多。這種現(xiàn)象在上述方式二中尤為突出,。本文中研究擬先實現(xiàn)二階Kalman濾波器,，階次較低，資源相對充足,，為檢驗FPGA實現(xiàn)Kalman濾波器的快速性,，選用第二種方式進行矩陣相乘，以得到最快的解算速度,。

2．2 有限狀態(tài)機的運用

有限狀態(tài)機是一種用來進行對象行為建模的工具,，其作用主要是描述對象在它的生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的狀態(tài)序列，以及如何響應來自外界的各種事件,。Kalman濾波中,，由于解算過程中的邏輯關系，需要分步進行,，所以需要用有限狀態(tài)機來控制各步的轉移,。根據(jù)各步間的邏輯關系，可以將其大致分為4個狀態(tài)：S0,，S1,，S2和S3狀態(tài)。其中，S0為初始化狀態(tài),，之后進入S1狀態(tài),，計算和Pk+1／k，然后進入S2狀態(tài),，計算Kk+1,，最后計算解算結果和Pk+1／k+1。計算Kk+1時,，也需要將其分步實現(xiàn),。若將各步的解算歸于同一個狀態(tài)機內(nèi)，則顯得邏輯復雜,。為使得各步的邏輯更加清晰,，并且增加狀態(tài)機的穩(wěn)定性和安全性，使用交互狀態(tài)機,，如圖2所示,。



圖2中，狀態(tài)機的交互過程中,，沒置標志信號enble和finish分別用于啟動和終止計算K值的狀態(tài),，初始化時其值均為0。當計算完第一步進入S2時,，enble置為1,，啟動計算K值的狀態(tài)；當K值計算完成時,，finish置為1,，進入S3，enble和finish置為初值0,，為下次狀態(tài)交互做準備,。進入原狀態(tài)機繼續(xù)進行下面的計算。

書寫狀態(tài)機時,，采用三段式寫法,，一個模塊采用同步時序描述狀態(tài)轉移，另一個模塊采用組合邏輯判斷轉移條件并進行狀態(tài)轉移,，第三個模塊實現(xiàn)同步輸出,。三段式描述方法的狀態(tài)機,，做到了同步寄存器輸出,，消除了組合邏輯輸出的不穩(wěn)定和毛刺現(xiàn)象，而且更利于時序路徑分組,，綜合與布局布線效果更佳,。

2．3 資源分時復用

FPGA設計中，資源與速度是個矛盾體。FPGA中的資源是有限的,，所以必須考慮資源的節(jié)省問題,。由于Kalman濾波可以分3步進行，所以每一步可以利用其它步中相同的資源,。此種方法可以在不降低總體速度的情況下,，減少資源利用量；而對于階次較高的Kalman濾波,，此方法可以最大限度的增加并行性,，提高速度。該設計中用到大量的乘法器,、加法器以及CLB等資源,，計算第一步時用到的資源會在第二步和第三步中用到，即同一資源被用到3次,。以其中用到的某乘法器的分時復用為例,，其輸入端口在不同的時刻可以有不同的賦值，實現(xiàn)語句如下：



3 性能對比及分析

為驗證本文研究利用FPGA實現(xiàn)Kalman濾波算法的性能,，采用二階Kalman濾波器進行實際性能對比測試,。建立數(shù)學模型如下：選取狀態(tài)轉移矩陣，無控制量,，即控制陣Uk=0,，噪聲系數(shù)矩陣，Wk是系統(tǒng)動態(tài)噪聲,，是均值為0,、方差陣為的白噪聲隨機序列。

對于該濾波器分別利用三種方式實現(xiàn)：采用Matlab在PC機上實現(xiàn),、利用DSP實現(xiàn)和利用FPGA實現(xiàn),。其中，PC機為DELL Dimension4700臺式機,，安裝Matlab 7．0軟件,；DSP選用雙精度浮點型TMS320C6713型號的芯片；FPGA型號為XC2VP30,，主頻100 MHz,，內(nèi)嵌多達136個硬核乘法器和2 MB硬件RAM。為得到更準確合理的結果,，分別截取第1～3次,、11～13次、21～23次的計算結果來對比,。因為在PC機上利用Matlab實現(xiàn)的Kalman濾波器通過軟件設置可以達到很高的計算精度,，所以將其得到的結果作為標準值(真值),，分別用FPGA實現(xiàn)和DSP實現(xiàn)的結果與其進行對比分析。選取估計均方誤差陣Pk+1／k+1的第一個元素來進行對比分析各實現(xiàn)方式的性能,，其解算結果對比如表2和表3所示,。



由表2可知，利用FPGA實現(xiàn)的濾波結果,，其精度與用Matlab實現(xiàn)的精度相差無幾,，且略高于利用DSP實現(xiàn)的單精度的結果。由表3可知,，在解算時間方面,，利用FPGA實現(xiàn)方式的快速性遠遠高于利用其他兩種方式。而且,，對于階次越高的Kalman濾波器的實現(xiàn),，傳統(tǒng)處理器所需的時間越長，利用FPGA實現(xiàn)方式的時間的優(yōu)越性越顯著,。

4 結語

針對Kalman濾波的傳統(tǒng)實現(xiàn)方法的不足,，本文提出利用具有可并行計算特點的FPGA來實現(xiàn)Kalman濾波的方案，并對FPGA實現(xiàn)Kalman濾波的三種方式進行了研究,，確定了利用IP核作為主要計算元件的實現(xiàn)方式,。對Kalman濾波實現(xiàn)過程中的關鍵問題進行了研究和實現(xiàn)。通過對PC機,、DSP和FPGA三種實現(xiàn)方式的結果對比,，驗證了利用FGPA實現(xiàn)的Kalman濾波器具有較高的精度和極高的實時性。