引言

車輛定位導(dǎo)航技術(shù)是智能交通系統(tǒng)（ ITS）中一個重要技術(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)性能的三個重要因素。 車輛定位導(dǎo)航的精度直接取決于各個傳感器的精度，而傳感器精度的提高往往受技術(shù)、價格等因素的影響。 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，為組合導(dǎo)航中的多傳感器信息采集工作提供了一個通用的平臺，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時間信息，解決了以往實(shí)現(xiàn)多傳感器信息同步困難的問題。

軟件開發(fā)平臺LabVIEW及結(jié)構(gòu)

LabVIEW全稱是Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench ，是目前十分流行的虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺，是美國國家儀器公司（National Instrument） 推出的一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)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言。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)此平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。各種傳感器通過串行接口與計(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，多傳感器信息通過串口送入計(jì)算機(jī)，供LabVIEW程序進(jìn)行數(shù)據(jù)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、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)對多傳感器信息的測控。 如在多任務(wù)并行處理中，兩個循環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)成了兩個并行的任務(wù)，每個任務(wù)體的執(zhí)行順序是互不相關(guān)的，甚至這兩個任務(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針對計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的串行口。LabVIEW提供了一組（共5 個） 串行口通信子VI控件來承擔(dān)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（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，兩個傳感器數(shù)據(jù)的時間應(yīng)該相匹配。 然而在實(shí)際的傳送到車輛中的基本定位信息只需要有限的時間信息，只要為傳感器信息確定數(shù)據(jù)起始時間，然后可以根據(jù)傳送的數(shù)據(jù)量以及通信波特率來確定時間。 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時刻為IMU/INS及GPS信息開始可用時刻，首先從t1開始向緩存器中存儲一系列的IMU/INS信息，由于GPS采樣率較低，此時的GPS信息可能并不是t1時刻而是前一秒內(nèi)的信息。 假設(shè)GPS信息在t1+Δt時刻更新，當(dāng)接收到GPS的t1+Δt時間信息后，將緩存器的信息恢復(fù)到正確的時間并完成更新，取t1+Δt為兩個傳感器的數(shù)據(jù)起始時間，這樣IMU/INS信息和GPS信息就達(dá)到了時間上的匹配，此后的時間信息就可以通過傳送的數(shù)據(jù)量以及通信波特率來確定。

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)來之后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過格式的轉(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)際測量信息，并實(shí)現(xiàn)了IMU轉(zhuǎn)動角度的實(shí)時測量功能。 其基本原理就是將角速度進(jìn)行時間積分，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不斷累加，所以在此模塊中特別增加了一個實(shí)時計(jì)算陀螺儀各軸方向靜止?fàn)顟B(tài)時平均漂移的子VI，用來對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，說明原始數(shù)據(jù)到實(shí)際測量值轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)過程。每個IMU信息包含18個字節(jié)信息，其定義如表1所示。

表1IMU18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)際測量值的轉(zhuǎn)換。

（2） 信息顯示

軟件采用友好和直觀的界面呈現(xiàn)來自傳感器的信息，分別對來自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。

我們在設(shè)計(jì)過程中，特別采用了Tab控件，可以將IMU和GPS信息同時顯示在同一面板的不同分頁上，使我們能夠很方便地交互地察看兩個傳感器的信息。

圖5 IMU信息顯示界面

（3） 數(shù)據(jù)存儲

在LabVIEW軟件平臺下，可以采用3種格式存儲數(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)存儲的功能由一個寫文件子VI和一個Case結(jié)構(gòu)構(gòu)成。 點(diǎn)擊前面板上的存儲控制按鈕時，系統(tǒng)就會將IMU或者GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并且可以隨時終止存儲工作。 由于IMU信息中沒有實(shí)際時間信息，為了實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的同步，以及存儲文件的后處理需要，特在IMU存儲信息中添加了同步的GPS時間信息。 為了方便用其它的程序來讀取數(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格式識別出來，然后再將信息顯示在界面上。 由于LabVIEW對文件進(jìn)行讀取的函數(shù)不是很多，而且一般對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，然后再利用LabVIEW中豐富的字符串操作函數(shù)，對所讀取的字符串進(jìn)行分離，識別和處理。對GPS信息進(jìn)行讀取、處理、顯示、存儲，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

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，本平臺通用性能好，免除了對多傳感器信息采集的操作過程中一些煩瑣的工作，采集過程不再需要編寫不同的軟件以適應(yīng)不同傳感器要求；將多傳感器信息在同一界面上顯示，使測量信息更加直觀；形成了統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)存儲文件，有利于多傳感器存儲信息的后處理。 本平臺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，構(gòu)成了一個虛擬儀器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對多傳感器信息的測控，為將來進(jìn)一步研究利用虛擬儀器測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)。

責(zé)任編輯：gt