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基于LabVIEW的多傳感器信息采集平臺
作者：
時(shí)間：2017-01-12
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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引 言
車(chē)輛定位導航技術(shù)是智能交通系統( ITS)中一個(gè)重要技術(shù)，而定位精度、定位數據的連續性和可靠性是導航系統性能的三個(gè)重要因素。 車(chē)輛定位導航的精度直接取決于各個(gè)傳感器的精度，而傳感器精度的提高往往受技術(shù)、價(jià)格等因素的影響。 目前廣泛采用的基于多傳感器融合的組合導航系統，能夠有效提高導航定位精度，增強導航系統的可靠性，進(jìn)而充分保證導航數據的連續性和可用性。 傳感器數量在系統中的需求增加，傳統儀器不再適應系統要求。本文作者利用NI公司的虛擬儀器編程軟件LabVIEW所設計的多傳感器信息采集平臺，為組合導航中的多傳感器信息采集工作提供了一個(gè)通用的平臺，克服了傳統儀器功能單一，靈活性差，更新和維護費用高的缺點(diǎn)。 并且將數據采集、預處理、信息顯示、存儲和回放集成在一起，形成統一格式的數據文件，方便與其它數據分析軟件的接口，例如與Matlab的接口。 在這個(gè)多傳感器信息采集平臺，各種傳感器信息可以顯示在同一界面上，可以很方便地在其它傳感器的信息中添加GPS時(shí)間信息，解決了以往實(shí)現多傳感器信息同步困難的問(wèn)題。
軟件開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW及結構
LabVIEW全稱(chēng)是Laboratory VirtualInstrumentEngineering Workbench ，是目前十分流行的虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺，是美國國家儀器公司(NationalInstrument) 推出的一種基于圖形開(kāi)發(fā)、調試和運行程序的集成化環(huán)境，是目前國際上唯一的編譯型的圖形化編程語(yǔ)言。
系統硬件結構
實(shí)現此平臺的硬件結構如圖1所示。各種傳感器通過(guò)串行接口與計算機相連，實(shí)現與計算機的通信，計算機利用系統的LabVIEW程序對各種傳感器發(fā)送控制命令，多傳感器信息通過(guò)串口送入計算機，供LabVIEW程序進(jìn)行數據的識別，讀取，存儲以及后處理工作。 各種傳感器信息分別通過(guò)各自接口與計算機通信之間是并行的。 由于實(shí)驗室條件有限，多傳感器僅以IMU和GPS為例完成了系統的設計工作。
系統軟件結構
系統的軟件結構圖如圖2 所示。 由圖2 可以看到，整個(gè)系統完成了GPS/IMU的數據采集、數據預處理、信息的同一界面顯示、數據存儲、數據回放的功能。
系統關(guān)鍵技術(shù)及其功能實(shí)現
系統關(guān)鍵技術(shù)
(1) LabVIEW的并行機制
LabVIEW軟件應用程序采用了并行程序結構，分別實(shí)現對多傳感器信息的測控。 如在多任務(wù)并行處理中，兩個(gè)循環(huán)結構構成了兩個(gè)并行的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)體的執行順序是互不相關(guān)的，甚至這兩個(gè)任務(wù)執行的次數也是可以不一樣的。
(2) 串行口通信子VI
串行口通信的子VI針對計算機標準的串行口。LabVIEW提供了一組(共5 個(gè)) 串行口通信子VI控件來(lái)承擔對編程的支持，它們依次是：①串口初始化(Serial PortInit) ； ②串口讀(Serial PortRead) ； ③串口寫(xiě)(Serial PortWrite) ； ④串口字節數(ByteSatSerialPort) ； ⑤串口中斷(Serial PortBreak) 。
(3) 數據同步機制原理
多傳感器信息融合中，要使誤差最小，兩個(gè)傳感器數據的時(shí)間應該相匹配。 然而在實(shí)際的傳送到車(chē)輛中的基本定位信息只需要有限的時(shí)間信息，只要為傳感器信息確定數據起始時(shí)間，然后可以根據傳送的數據量以及通信波特率來(lái)確定時(shí)間。 以GPS信息與慣性導航系統( Inertial NavigationSystem，INS) 的組合為例，由于INS與GPS的采樣率不同，INS采樣率一般為10 Hz ，而GPS的采樣率為1Hz。 如圖3 所示，設t1時(shí)刻為IMU/INS及GPS信息開(kāi)始可用時(shí)刻，首先從t1開(kāi)始向緩存器中存儲一系列的IMU/INS信息，由于GPS采樣率較低，此時(shí)的GPS信息可能并不是t1時(shí)刻而是前一秒內的信息。 假設GPS信息在t1+Δt時(shí)刻更新，當接收到GPS的t1+Δt時(shí)間信息后，將緩存器的信息恢復到正確的時(shí)間并完成更新，取t1+Δt為兩個(gè)傳感器的數據起始時(shí)間，這樣IMU/INS信息和GPS信息就達到了時(shí)間上的匹配，此后的時(shí)間信息就可以通過(guò)傳送的數據量以及通信波特率來(lái)確定。
系統功能實(shí)現
(1) 數據的采集和預處理
此部分將傳感器原始數據從串口連續正確地讀進(jìn)來(lái)之后，對數據進(jìn)行預處理，通過(guò)格式的轉換，數學(xué)計算等將原始數據轉換為傳感器實(shí)際測量信息，并實(shí)現了IMU轉動(dòng)角度的實(shí)時(shí)測量功能。 其基本原理就是將角速度進(jìn)行時(shí)間積分，得到角度的變化值。 由于陀螺儀在不同的溫度下有著(zhù)不同程度的零點(diǎn)漂移，在積分的情況下其誤差就會(huì )不斷累加，所以在此模塊中特別增加了一個(gè)實(shí)時(shí)計算陀螺儀各軸方向靜止狀態(tài)時(shí)平均漂移的子VI，用來(lái)對角速度積分的誤差進(jìn)行補償，從而得到比較準確的角度變化值。下面以IMU為例，說(shuō)明原始數據到實(shí)際測量值轉換的實(shí)現過(guò)程。每個(gè)IMU信息包含18個(gè)字節信息，其定義如表1所示。
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