基于嵌入式Web服务器的惯导数据传输与融合系统设计及实现

摘要

近年来，惯性导航系统从平台式到捷联式得到了很大的发展，但是这种传统的惯性导航系统存在两方面的局限性：一是集中式的任务处理，二是串口方式的数据传输。集中式的任务处理使得数据接收、算法解算与数据融合等任务在同一处理器进行处理，这不仅导致了系统的高负荷性与程序的高耦合性，还影响了系统的实时性并且限制了系统功能的扩展性；串口方式的数据传输存在很多局限性，比如需要现场接线、安装客户端、传输速度慢、传输距离近等。 针对以上问题，本文结合以太网技术设计出了一种基于嵌入式 Web服务器而实现的惯导数据传输与融合系统。这种系统的特点是将惯性导航算法解算和数据融合进行分离，并且分别由DSP内核和ARM内核进行处理，即DSP端只负责惯性导航算法解算， ARM端实现数据传输、数据融合以及其他附加功能。这种分布式策略不仅能够减轻DSP端的负荷，而且在ARM端搭建Web服务器之后，即可通过以太网实现网页与惯导系统之间的数据传输，这样便可以解决传统串口传输数据的弊端；此外，ARM端的可编辑性很强，可以根据需求添加数据融合等其他附加功能而不影响DSP端的算法解算。 本论文的重点则是ARM端的数据传输功能和数据融合算法的实现。硬件基础采用DSP+ARM双核异步构架的 OMAPL138芯片，两个内核分别运行 SYS/BIOS和 Linux操作系统，并且在Linux之上搭建Boa嵌入式Web服务器，通过“Web服务器+Linux应用程序”实现数据传输与数据融合功能。 本文首先介绍了论文研究的目的、意义以及国内外发展现状；然后，根据工程实际需要设计出惯导数据传输与融合系统的整体思想，并针对整体思想，从 Web服务器和网页设计两个方面进行了需求分析。Web服务器端需要实现惯导参数设置、双核数据交换、INS/GPS数据融合、数据存储与交互等功能；网页端需要实现图形界面的设计、局部数据的动态刷新、导航基本参数的设置等功能。 随后，为了将INS与GPS进行数据融合实现组合导航，首先对惯导系统和GPS系统进行了数学建模，然后建立 INS与GPS的量测方程，再采用卡尔曼滤波对误差进行估计并校正惯导输出，从而改善INS或GPS单独进行导航的精确度。 接着，开始对惯导数据传输与融合系统进行硬件设计与软件实现。首先，设计出硬件方案，并确立处理器芯片以及硬件平台；其次，设计出系统的软件体系结构，并且搭建系统软件开发平台，在ARM端进行BootLoader的移植、Linux内核移植以及文件系统的移植；随后，在ARM端的Linux上搭建了Boa服务器，同时，为了实现Web服务器和网页的动态交互，Web服务器端对CGI技术进行了实现；由于本系统中数据融合算法的输入来源于DSP内核，因此本文实现了基于SysLink组件的双核数据交换功能，这样便可将DSP内核解算完的数据实时传输给ARM内核；接着，通过编写Linux应用程序实现 Web服务器的功能性需求，包括用户认证功能、导航初始参数设置功能、数据存储与下载功能、数据交互功能等；数据融合方面，将 INS与GPS数据进行卡尔曼滤波并采用输出校正的方式补偿惯导输出；最后，通过HTML、CSS和JavaScript设计出惯导系统的网页，并通过AJAX技术实现了网页与Web服务器的动态数据交互功能。 论文最后，将PC机与开发板连通，对网页以及Web服务器的功能进行了测试；算法方面，文章对INS/GPS数据融合的算法进行了验证，证明了算法的正确性；并且分别通过对DSP和ARM端算法运行时间的测试，验证了本文设计的分布式惯性导航系统的可行性。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 论文主要内容

第2章 系统整体思想与需求分析

2.1 惯导基本原理

2.2 惯导数据传输与融合系统整体设计思想

2.3 系统Web服务器端功能需求分析

2.4 系统网页设计需求分析

2.5 本章小结

第3章 INS/GPS数据融合算法研究

3.1 惯导系统的数学建模

3.2 GPS系统的数学建模

3.3 建立INS/GPS数据融合的的量测方程

3.4 卡尔曼滤波算法

3.5 本章小结

第4章 系统硬件设计与软件实现

4.1 系统硬件设计方案

4.2 处理器选型与介绍

4.3 系统的硬件平台

4.4 系统的软件体系结构

4.5 嵌入式系统软件平台的搭建

4.6 Boa服务器搭建及关键技术实现

4.7 双核数据交换功能实现

4.8 功能性的Linux应用程序设计

4.9 INS/GPS数据融合算法实现

4.10 网页功能设计与实现

4.11 本章小结

第5章 惯导数据传输与融合系统性能测试

5.1 系统整体测试思路与测试平台介绍

5.2 系统功能性测试

5.3 系统算法测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢