摘 要：車(chē)輛定位中利用多傳感器信息融合技術(shù)可以提高定位精度。 系統(tǒng)中的傳感器數(shù)量急劇增加，傳統(tǒng)儀器很難滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量需求。 本文開(kāi)發(fā)了一種基于虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW的多傳感器信息采集平臺(tái)，將多傳感器數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、信息顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)回放集成在一起，解決了以往實(shí)現(xiàn)多傳感器信息同步十分困難的問(wèn)題，為將來(lái)進(jìn)一步研究利用虛擬儀器測(cè)量多傳感器信息及進(jìn)行多傳感器信息融合奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；全球定位系統(tǒng)；慣性測(cè)量單元
引 言
車(chē)輛定位導(dǎo)航技術(shù)是智能交通系統(tǒng)( ITS)中一個(gè)重要技術(shù)，而定位精度、定位數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性是導(dǎo)航系統(tǒng)性能的三個(gè)重要因素。 車(chē)輛定位導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)，能夠有效提高導(dǎo)航定位精度，增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而充分保證導(dǎo)航數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可用性。 傳感器數(shù)量在系統(tǒng)中的需求增加，傳統(tǒng)儀器不再適應(yīng)系統(tǒng)要求。本文作者利用NI公司的虛擬儀器編程軟件LabVIEW所設(shè)計(jì)的多傳感器信息采集平臺(tái)，為組合導(dǎo)航中的多傳感器信息采集工作提供了一個(gè)通用的平臺(tái)，克服了傳統(tǒng)儀器功能單一，靈活性差，更新和維護(hù)費(fèi)用高的缺點(diǎn)。 并且將數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、信息顯示、存儲(chǔ)和回放集成在一起，形成統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)文件，方便與其它數(shù)據(jù)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(tái)，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(xiàn)多傳感器信息同步困難的問(wèn)題。
軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW及結(jié)構(gòu)
LabVIEW全稱(chēng)是Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench ，是目前十分流行的虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National INStrument) 推出的一種基于圖形開(kāi)發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，是目前國(guó)際上唯一的編譯型的圖形化編程語(yǔ)言。
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
實(shí)現(xiàn)此平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。各種傳感器通過(guò)串行接口與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，計(jì)算機(jī)利用系統(tǒng)的LabVIEW程序?qū)Ω鞣N傳感器發(fā)送控制命令，多傳感器信息通過(guò)串口送入計(jì)算機(jī)，供LabVIEW程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的識(shí)別，讀取，存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)通信之間是并行的。 由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，多傳感器僅以IMU和GPS為例完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。
系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。 由圖2 可以看到，整個(gè)系統(tǒng)完成了GPS/IMU的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、信息的同一界面顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放的功能。
系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其功能實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
(1) LabVIEW的并行機(jī)制
LabVIEW軟件應(yīng)用程序采用了并行程序結(jié)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)多傳感器信息的測(cè)控。 如在多任務(wù)并行處理中，兩個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)成了兩個(gè)并行的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)體的執(zhí)行順序是互不相關(guān)的，甚至這兩個(gè)任務(wù)執(zhí)行的次數(shù)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(duì)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)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(dān)對(duì)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(jié)數(shù)(ByteSatSerialPort) ； ⑤串口中斷(Serial PortBreak) 。
(3) 數(shù)據(jù)同步機(jī)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(shù)據(jù)的時(shí)間應(yīng)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(shù)據(jù)起始時(shí)間，然后可以根據(jù)傳送的數(shù)據(jù)量以及通信波特率來(lái)確定時(shí)間。 以GPS信息與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)( Inertial NavigATION System，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(shè)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(chǔ)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(nèi)的信息。 假設(shè)GPS信息在t1+Δt時(shí)刻更新，當(dāng)接收到GPS的t1+Δt時(shí)間信息后，將緩存器的信息恢復(fù)到正確的時(shí)間并完成更新，取t1+Δt為兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)起始時(shí)間，這樣IMU/INS信息和GPS信息就達(dá)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(shù)據(jù)量以及通信波特率來(lái)確定。
系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
(1) 數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理
此部分將傳感器原始數(shù)據(jù)從串口連續(xù)正確地讀進(jìn)來(lái)之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)格式的轉(zhuǎn)換，數(shù)學(xué)計(jì)算等將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為傳感器實(shí)際測(cè)量信息，并實(shí)現(xiàn)了IMU轉(zhuǎn)動(dòng)角度的實(shí)時(shí)測(cè)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(jì)算陀螺儀各軸方向靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)平均漂移的子VI，用來(lái)對(duì)角速度積分的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到比較準(zhǔn)確的角度變化值。下面以IMU為例，說(shuō)明原始數(shù)據(jù)到實(shí)際測(cè)量值轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。每個(gè)IMU信息包含18個(gè)字節(jié)信息，其定義如表1所示。
表1 IMU18字節(jié)定位信息
圖4 為利用公式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理框圖。 其中x 和y 是輸入的原始數(shù)據(jù)，z 為輸出的實(shí)際測(cè)量值。 程序?qū)?8字節(jié)的字符串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)組后，在框圖上可直接在公式節(jié)點(diǎn)中輸入公式，完成原始信息到實(shí)際測(cè)量值的轉(zhuǎn)換。
(2) 信息顯示
軟件采用友好和直觀(guān)的界面呈現(xiàn)來(lái)自傳感器的信息，分別對(duì)來(lái)自GPS和IMU的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行呈現(xiàn)。 其部分界面如圖5、圖6所示。
我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，特別采用了Tab控件，可以將IMU和GPS信息同時(shí)顯示在同一面板的不同分頁(yè)上，使我們能夠很方便地交互地察看兩個(gè)傳感器的信息。
圖5 IMU信息顯示界面
圖6 GPS信息顯示界面
(3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
在LabVIEW軟件平臺(tái)下，可以采用3種格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：文本文件，二進(jìn)制文件和數(shù)據(jù)記錄文件。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能由一個(gè)寫(xiě)文件子VI和一個(gè)Case結(jié)構(gòu)構(gòu)成。 點(diǎn)擊前面板上的存儲(chǔ)控制按鈕時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)將IMU或者GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并且可以隨時(shí)終止存儲(chǔ)工作。 由于IMU信息中沒(méi)有實(shí)際時(shí)間信息，為了實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的同步，以及存儲(chǔ)文件的后處理需要，特在IMU存儲(chǔ)信息中添加了同步的GPS時(shí)間信息。 為了方便用其它的程序來(lái)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理工作，本文采用的是文本文件的
存儲(chǔ)格式。
(4) 數(shù)據(jù)回放
進(jìn)行數(shù)據(jù)的回放工作，首先要將文件按照其存儲(chǔ)格式識(shí)別出來(lái)，然后再將信息顯示在界面上。 由于LabVIEW對(duì)文件進(jìn)行讀取的函數(shù)不是很多，而且一般對(duì)文件格式的要求比較嚴(yán)格，所以，我們采取了一種方法，就是先將文件中所有的字符串讀出來(lái)，然后再利用LabVIEW中豐富的字符串操作函數(shù)，對(duì)所讀取的字符串進(jìn)行分離，識(shí)別和處理。對(duì)GPS信息進(jìn)行讀取、處理、顯示、存儲(chǔ)，以及回放的程序，與IMU相似，只是在數(shù)據(jù)格式方面有些不同，本文不再贅述。
結(jié) 語(yǔ)
利用LabVIEW及現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備建立了多傳感器信息采集平臺(tái)，本平臺(tái)通用性能好，免除了對(duì)多傳感器信息采集的操作過(guò)程中一些煩瑣的工作，采集過(guò)程不再需要編寫(xiě)不同的軟件以適應(yīng)不同傳感器要求；將多傳感器信息在同一界面上顯示，使測(cè)量信息更加直觀(guān)；形成了統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件，有利于多傳感器存儲(chǔ)信息的后處理。 本平臺(tái)充分利用了虛擬儀器的靈活性和多輸入多輸出的特點(diǎn)，將計(jì)算機(jī)、多傳感器、LabVIEW軟件結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成了一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多傳感器信息的測(cè)控，為將來(lái)進(jìn)一步研究利用虛擬儀器測(cè)控多傳感器信息以及進(jìn)行多傳感器信息融合奠定了基礎(chǔ)。
