全源导航智能接口子系统的研制

发布时间：2020-06-15 03:30

【摘要】：论文设计了一个基于高性能ARM核心板,搭载Linux操作系统的智能接口。智能接口作为全源导航的子系统,能够完成多路传感器数据并行采集、数据处理、实时发送的导航数据采集任务。本文从硬件、内核态软件和用户态软件三方面对智能接口进行设计和实现,以满足全源导航硬件上接口统一、即插即用、灵活配置、实时采集、并行处理和发送的要求。针对全源导航系统多种传感器即插即用、多路数据并行采集的需求,本文基于高性能开发板,搭载FPGA接口拓展板,从硬件上实现接口冗余和并行数据采集。研究了Linux操作系统中驱动即插即用和守护进程的运行机制,基于Linux内核中驱动热拔插事件机制和守护进程,实现对传感器状态的实时监控和上报。数据处理过程中,针对传感器数据的噪声和异常值,将LOF异常值检测算法应用于导航传感器的异常点检测和剔除。研究了LOF算法的优缺点和增量式ELOF算法的更新机制,提出一种能够动态更新邻域K值的机制,使得改进后的ELOF算法能够根据导航载体的运动特性实时动态更新局部离群因子的值,提高了异常值的检测识别率。针对各种传感器中导航信息时间基准的不统一问题,根据导航数据时间标志使用最小二乘法进行数据曲线拟合,基于拟合曲线统一各传感器数据的时间基准。针对智能接口和导航计算机实时交互的需求,研究并使用了UDP传输层协议,为了保证UDP传输层协议稳定性,基于自定义数据帧在UDP协议数据帧中实现序列号、确认应答、出错重发、数据帧错乱重排序等稳定机制,在保证传输实时性的基础上提升传输稳定性。针对全源导航整体软件系统的稳定性、实时性、并发性和模块化的需求,研究了Linux进程和线程的原理,基于多核多线程的核心处理器,设计多线程与多进程的软件框架。每个传感器对应一个进程,模块化设计任务执行程序,而每个进程中用多线程实现相关功能,充分利用硬件资源,使得系统并行处理多个传感器的数据采集与处理任务。最后,设计并实现全源导航智能接口子系统测试平台,测试智能接口传感器识别、系统稳定性、传输实时性等方面的性能。测试结果表明,系统各方面性能都能达到全源导航的需求,智能接口的硬件概念能够有效减轻导航计算机的软硬件压力。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN96;TP316.81;TP212
【图文】：

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图 1.1 美军全源导航全实物装置图该系统包含 IMU、GPS、图像采集器、磁强计、气压高度计以及高精度时钟，目前该系统已经在飞机、舰船、背包和坦克上进行了全源导航的演示和验证。GPS 对于目前的导航系统来说非常关键，而当 GPS 拒止时如何保证系统的正常运行和精度，这是全源导航提出的一大原因和发展过程中一直面临的问题。全源自适应融合方法是一种在 GPS 拒止时维持导航系统运行的导航方案，它自适应地实时融合可用信息，缩小目标物体定位误差，提供被测目标的移动信息[14]。该算法由诺斯罗普公司和美国空军研究室合作研发，接着双方成功研制了终端到终端的全源自适应融合的 ASAF 平台，根据平台测试影响系统性能的关键参数，判断多种环境下传感器的信息健壮性和可靠性，平台能够实时融合多种传感器数据，比如 IMU、星敏感器、图像传感器、高度计、GPS 等。通过最优融合算法，无论 GPS 信号状况如何，全源自适应融合都可以很大程度上提高导航精度和连续性。国外的多所高效针对全源导航算法中传感器的可信度、框架都进行了深入的研究，提出了基于因子图判断传感器可信度、模块化框架配置系统导航模块等解决办法，一定程度上促进了全源导航的发展[15-17]。目前国内对于全源导航的研究还在起步阶段，主要都是对于全源导航的介绍，对全源导航的定义、提出背景、关键技术、应用和展望、技术发展情况等方面进行了介绍；车欢等人提出

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图 4.6 LOF 算法可达距离示意图(5) 局部可达密度（Local reachability density）：点 p 的第 k 邻域内点到的平均可达距离的倒数，数学表达式如下：( )1( )_ ( , )( )kkkq N pklrd preach dist p qN p (4这个值代表的是密度，点q 的第 k 邻域内所有的点，可以理解为属于同一个集合。如合内所有点到点的可达距离越小，就意味着密度越大，越可能是同一簇的点，而如大，就意味着密度越小，越可能是离群点，异常值。(6) 局部离群因子（local outlier factor）：点的邻域点的 lrd 与点的 lrd 之比的平均数，数学表达式如下：( )( )( )( )( )kko N pkkklrd olrd pLOF pN p (4每一个点都有 lrd，如果这个比值越接近 1，点点和其邻域点的可达密度就越接近，

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