一種imu數(shù)據(jù)的實時usb存儲裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)采集和存儲裝置與方法，具體說是一種頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB 存儲裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 慣性測量單元（InertialMeasurementUnit,IMU)數(shù)據(jù)采集和存儲裝置常用于飛 行器姿態(tài)控制、機(jī)器人運(yùn)動控制、導(dǎo)航、人體軀感網(wǎng)等慣性測量場合。MU數(shù)據(jù)包含原始數(shù)據(jù) 和解算數(shù)據(jù)。其中，三軸角速度、三軸加速度、三軸磁場強(qiáng)度以及溫度為原始數(shù)據(jù)；根據(jù)原始 數(shù)據(jù)計算后的歐拉角、方向余弦或四元數(shù)數(shù)據(jù)為解算數(shù)據(jù)。
[0003] 現(xiàn)有的頂U(kuò)數(shù)據(jù)采集和處理方式主要包括通過藍(lán)牙、Zigbee等無線方式傳輸?shù)缴?位PC機(jī)進(jìn)行處理，或者板載E2PR0M或FLASH進(jìn)行存儲后離線處理?，F(xiàn)有方法存在諸多問題： 1)每幀頂U(kuò)數(shù)據(jù)中通常包含十幾個原始數(shù)據(jù)和解算數(shù)據(jù)，若用字符串表示，則可達(dá)200字節(jié) 以上，龐大的數(shù)據(jù)量對于115.2Kbps的串口（包括無線透傳串口、藍(lán)牙串口等）或250Kbps 的Zigbee來說，每秒只能發(fā)送數(shù)十幀數(shù)據(jù)，發(fā)送時間較長；2)無線通信易受干擾，可能出現(xiàn) 丟包情況；3)板載E2PR0M或FLASH容量有限，讀寫操作比較繁瑣，不利于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移或者備份 至PC機(jī)進(jìn)行處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有IMU數(shù)據(jù)采集存儲方法與裝置存在的存儲實時性差、容量小、速 度慢、讀寫繁瑣和存在丟包等不足，設(shè)計了一種頂u數(shù)據(jù)的實時USB存儲裝置與方法。
[0005] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲裝置， 包括：
[0006] 頂U(kuò)傳感器，連接微控制器，用于采集頂U(kuò)數(shù)據(jù)；
[0007] 實時時鐘，連接微控制器，用于提供絕對時戳；
[0008]GPS模塊，連接微控制器，用于校準(zhǔn)實時時鐘以及在室外條件下提供經(jīng)緯度、速度、 海拔信息；
[0009]USB主機(jī)控制器，連接微控制器，用于提供USB接口，進(jìn)而連接U盤；
[0010] 微控制器，用于接收所述IMU傳感器采集到的IMU數(shù)據(jù)、實時時鐘提供的絕對時戳 和GPS模塊提供的信息，并對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
[0011] 還包括供電及電壓變換電路，用于為所述裝置和USB接口提供電源。
[0012] 所述供電及電壓變換電路采用所述裝置和USB接口所需電壓的低壓差線性穩(wěn)壓 器。
[0013] 所述MU傳感器包括三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計。
[0014] 所述微控制器集成USB主機(jī)控制器。
[0015] -種頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲方法，包括以下步驟：
[0016] 微控制器首先進(jìn)行內(nèi)部設(shè)備的初始化和外圍IMU傳感器、實時時鐘、GPS模塊以及 USB主機(jī)控制器的初始化；
[0017] 開啟微控制器定時器中斷和外部中斷，用于設(shè)定IMU數(shù)據(jù)采集間隔以及開啟/停 止數(shù)據(jù)采集存儲狀態(tài)；
[0018] 判斷U盤插入后，采集頂U(kuò)傳感器的頂U(kuò)數(shù)據(jù)和實時時鐘的絕對時戳；
[0019] 解算四元數(shù)；
[0020] 數(shù)據(jù)整合并通過USB主機(jī)控制器寫入U盤。
[0021] 所述判斷U盤插入后，采集頂U(kuò)傳感器的頂U(kuò)數(shù)據(jù)和實時時鐘的絕對時戳前，執(zhí)行 如下步驟：
[0022] 建立新文件，以當(dāng)前實時時鐘時間轉(zhuǎn)換成的16進(jìn)制數(shù)命名；
[0023] 循環(huán)判斷自定義寫文件標(biāo)志位是否置位；
[0024] 如果自定義寫文件標(biāo)志位已置位，則循環(huán)判斷自定義定時標(biāo)志位是否置位；
[0025] 如果自定義定時標(biāo)志位已置位，則轉(zhuǎn)到采集頂U(kuò)傳感器的頂U(kuò)數(shù)據(jù)和實時時鐘的 絕對時戳步驟。
[0026] 在所述采集到的原始數(shù)據(jù)和解算四元數(shù)后的解算數(shù)據(jù)的幀結(jié)尾打入年/月/日/ 時/分/秒的絕對時戳。
[0027] 在頂U(kuò)數(shù)據(jù)采集存儲一段時間后，通過外部中斷的方式停止，確認(rèn)文件存儲完畢 后拔出U盤，將數(shù)據(jù)拷貝到PC機(jī)進(jìn)行分析處理。
[0028] 本發(fā)明采用實時時鐘和GPS輔助向IMU數(shù)據(jù)中打入絕對時戳，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采 集和存儲。使用小體積的U盤作為存儲介質(zhì)，配合小體積的電路板，該裝置可以方便地固定 在飛行器、機(jī)器人或其他慣性測量載體中，利用高性能微控制器配合12Mbps的全速USB接 口，可以輕松實現(xiàn)每秒100幀以上的IMU數(shù)據(jù)采集存儲；待數(shù)據(jù)存儲完畢，即可將U盤拔出， 拷貝數(shù)據(jù)至PC機(jī)進(jìn)行分析，使得IMU數(shù)據(jù)采集存儲更為便捷。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在：
[0029] (1)與傳統(tǒng)無絕對時戳頂U(kuò)數(shù)據(jù)相比，提供了精確到秒級的絕對時間參考值，便于 進(jìn)行時基數(shù)據(jù)分析以及更為精確的慣性數(shù)據(jù)處理；
[0030] (2)與現(xiàn)有無線數(shù)據(jù)傳輸或板載存儲器存儲數(shù)據(jù)的方法相比，USB大容量存儲器 的速度更快、容量更大，更容易將存儲的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移或備份到PC機(jī)進(jìn)行處理；
[0031] (3)供電及電壓變換電路可在電池供電的場合下加入低電壓檢測功能，在電池電 壓過低的情況下，給微控制器發(fā)送信號以停止數(shù)據(jù)采集和存儲，防止電壓不足情況下存儲 失敗或數(shù)據(jù)丟失。
【附圖說明】
[0032] 圖1為頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲裝置的硬件框圖；
[0033] 圖2為IMU數(shù)據(jù)的實時USB存儲方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0035]如圖1所示，頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲裝置包括頂U(kuò)傳感器（三軸陀螺儀、三軸加 速度計、三軸磁力計）、實時時鐘（Real-TimeClock，RTC)、GPS模塊、USB主機(jī)控制器、微控 制器以及供電及電壓變換電路。其中，三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁力計用于采集頂U(kuò) 數(shù)據(jù)；實時時鐘和GPS用于提供頂U(kuò)輔助數(shù)據(jù)和絕對時戳；USB主機(jī)控制器用于實現(xiàn)U盤存 儲功能；微控制器用于MU數(shù)據(jù)采集和處理；供電及電壓變換電路需要分別為裝置和USB 接口提供3. 3V和5V電源，使用相應(yīng)電壓的低壓差線性穩(wěn)壓器（LowDropoutRegulator, LD0)實現(xiàn)即可。供電及電壓變換電路，可在電池供電的場合下加入低電壓檢測功能，在電池 電壓過低的情況下，給微控制器發(fā)送信號以停止數(shù)據(jù)采集和存儲，防止電壓不足情況下存 儲失敗或數(shù)據(jù)丟失；此外，微控制器可集成USB微控制器接口，直接進(jìn)行USB數(shù)據(jù)存儲。
[0036] 頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲裝置的選型參考下表：
[0037]表1
[0038]
[0039] 圖2所示為頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲方法的流程圖，主要包括以下步驟：
[0040] (1)微控制器首先進(jìn)行內(nèi)部設(shè)備的初始化和外圍MU傳感器、實時時鐘以及USB主 機(jī)控制器的初始化；
[0041] ⑵開啟定時器中斷和外部中斷，用于設(shè)定MU數(shù)據(jù)采集間隔以及開啟/停止數(shù)據(jù) 采集存儲狀態(tài)；
[0042] (3) 一切就緒后，等待U盤插入；
[0043] (4)待系統(tǒng)判斷U盤插入后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；利用微控制器內(nèi)部的定時器自定義采 集存儲間隔，12Mbps的全速USB總線可以輕松達(dá)到每秒100幀以上的速率；
[0044] (5)根據(jù)時間間隔Λt和采集的三軸角速度可積分得到載體坐標(biāo)系繞X軸、Y軸、 Z軸的旋轉(zhuǎn)角度Φ、Θ、ψ，再利用歐拉角和四元數(shù)的轉(zhuǎn)換矩陣：
[0046] 解算出四元數(shù)；具體方法可參考張帆，曹喜濱，鄒經(jīng)湘.一種新的全角度四元數(shù)與 歐拉角的轉(zhuǎn)換方法[J].南京理工大學(xué)學(xué)報.2002, 26 (4) ,376-380.
[0047] (6)原始數(shù)據(jù)和解算數(shù)據(jù)獲取成功后，在幀結(jié)尾打入年/月/日/時/分/秒的絕 對時戳，最終將數(shù)據(jù)幀存入U盤。
[0048] 根據(jù)IMU數(shù)據(jù)幀的絕對時戳和在該秒鐘的采集次序可知該幀數(shù)據(jù)的絕對時間，便 于后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。頂U(kuò)數(shù)據(jù)采集存儲一段時間后，可通過外部中斷的方式停止， 確認(rèn)文件存儲完畢后拔出U盤，將數(shù)據(jù)拷貝到PC機(jī)進(jìn)行分析處理。
【主權(quán)項】
1. 一種頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲裝置，其特征在于，包括： MU傳感器，連接微控制器，用于采集頂U(kuò)數(shù)據(jù)； 實時時鐘，連接微控制器，用于提供絕對時戳； GPS模塊，連接微控制器，用于校準(zhǔn)實時時鐘以及在室外條件下提供經(jīng)緯度、速度、海拔 信息； USB主機(jī)控制器，連接微控制器，用于提供USB接口，進(jìn)而連接U盤； 微控制器，用于接收所述IMU傳感器采集到的IMU數(shù)據(jù)、實時時鐘提供的絕對時戳和 GPS模塊提供的信息，并對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲裝置，其特征在于，還包括供電 及電壓變換電路，用于為所述裝置和USB接口提供電源。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲裝置，其特征在于，所述供電及 電壓變換電路采用所述裝置和USB接口所需電壓的低壓差線性穩(wěn)壓器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲裝置，其特征在于，所述 MU傳感器包括三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲裝置，其特征在于，所述微控制 器集成USB主機(jī)控制器。6. -種頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲方法，其特征在于，包括以下步驟： 微控制器首先進(jìn)行內(nèi)部設(shè)備的初始化和外圍IMU傳感器、實時時鐘、GPS模塊以及USB 主機(jī)控制器的初始化； 開啟微控制器定時器中斷和外部中斷，用于設(shè)定IMU數(shù)據(jù)采集間隔以及開啟/停止數(shù) 據(jù)采集存儲狀態(tài)； 判斷U盤插入后，采集頂U(kuò)傳感器的頂U(kuò)數(shù)據(jù)和實時時鐘的絕對時戳； 解算四元數(shù)； 數(shù)據(jù)整合并通過USB主機(jī)控制器寫入U盤。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種IMU數(shù)據(jù)的實時USB存儲方法，其特征在于，所述判斷U 盤插入后，采集頂U(kuò)傳感器的頂U(kuò)數(shù)據(jù)和實時時鐘的絕對時戳前，執(zhí)行如下步驟： 建立新文件，以當(dāng)前實時時鐘時間轉(zhuǎn)換成的16進(jìn)制數(shù)命名； 循環(huán)判斷自定義寫文件標(biāo)志位是否置位； 如果自定義寫文件標(biāo)志位已置位，則循環(huán)判斷自定義定時標(biāo)志位是否置位； 如果自定義定時標(biāo)志位已置位，則轉(zhuǎn)到采集頂U(kuò)傳感器的頂U(kuò)數(shù)據(jù)和實時時鐘的絕對 時戳步驟。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種IMU數(shù)據(jù)的實時USB存儲方法，其特征在于，在所述采集 到的原始數(shù)據(jù)和解算四元數(shù)后的解算數(shù)據(jù)的幀結(jié)尾打入年/月/日/時/分/秒的絕對時 戳。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種頂U(kuò)數(shù)據(jù)的實時USB存儲方法，其特征在于，還包括：在 MU數(shù)據(jù)采集存儲一段時間后，通過外部中斷的方式停止，確認(rèn)文件存儲完畢后拔出U盤， 將數(shù)據(jù)拷貝到PC機(jī)進(jìn)行分析處理。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種IMU數(shù)據(jù)的實時USB存儲裝置與方法。本發(fā)明裝置包括IMU傳感器(三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁力計)、實時時鐘、GPS模塊、USB主機(jī)控制器、微控制器以及供電/電壓變換電路。本發(fā)明方法的步驟包括微控制器采集IMU傳感器的數(shù)據(jù)、實時時鐘的絕對時間、解算四元數(shù)、為IMU數(shù)據(jù)幀打入絕對時戳以及將處理后的數(shù)據(jù)通過USB主機(jī)控制器存儲到U盤。本發(fā)明裝置與方法同使用藍(lán)牙、Zigbee等無線方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，或者板載E2PROM或FLASH進(jìn)行存儲后離線處理等方法相比，具有傳輸速率快、穩(wěn)定性好、存儲容量大、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移備份方便等優(yōu)勢。
【IPC分類】G11C7/10, G05B19/04, G01C21/18
【公開號】CN105242574
【申請?zhí)枴緾N201410290636
【發(fā)明人】夏曄, 梁煒, 李世明, 張曉玲, 彭士偉
【申請人】中國科學(xué)院沈陽自動化研究所
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2014年6月24日