[發明專利]一種IMU數據的實時USB存儲裝置與方法

在審

• 申請號: 201410290636.4
• 申請日: 2014-06-24
• 公開（公告）號: CN105242574A
• 公開（公告）日: 2016-01-13
• 發明（設計）人: 夏曄;梁煒;李世明;張曉玲;彭士偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G05B19/04
• 分類號: G05B19/04;G01C21/18;G11C7/10
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 徐麗;周秀梅

技術領域

本發明涉及一種數據采集和存儲裝置與方法，具體說是一種IMU數據的實時USB存儲裝置與方法。

背景技術

慣性測量單元(InertialMeasurementUnit，IMU)數據采集和存儲裝置常用于飛行器姿態控制、機器人運動控制、導航、人體軀感網等慣性測量場合。IMU數據包含原始數據和解算數據。其中，三軸角速度、三軸加速度、三軸磁場強度以及溫度為原始數據；根據原始數據計算后的歐拉角、方向余弦或四元數數據為解算數據。

現有的IMU數據采集和處理方式主要包括通過藍牙、Zigbee等無線方式傳輸到上位PC機進行處理，或者板載E²PROM或FLASH進行存儲后離線處理。現有方法存在諸多問題：1)每幀IMU數據中通常包含十幾個原始數據和解算數據，若用字符串表示，則可達200字節以上，龐大的數據量對于115.2Kbps的串口(包括無線透傳串口、藍牙串口等)或250Kbps的Zigbee來說，每秒只能發送數十幀數據，發送時間較長；2)無線通信易受干擾，可能出現丟包情況；3)板載E²PROM或FLASH容量有限，讀寫操作比較繁瑣，不利于數據轉移或者備份至PC機進行處理。

發明內容

本發明針對現有IMU數據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，設計了一種IMU數據的實時USB存儲裝置與方法。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種IMU數據的實時USB存儲裝置，包括：

IMU傳感器，連接微控制器，用于采集IMU數據；

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，用于校準實時時鐘以及在室外條件下提供經緯度、速度、海拔信息；

USB主機控制器，連接微控制器，用于提供USB接口，進而連接U盤；

微控制器，用于接收所述IMU傳感器采集到的IMU數據、實時時鐘提供的絕對時戳和GPS模塊提供的信息，并對上述數據進行分析。

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。

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壓器。

所述IMU傳感器包括三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計。

所述微控制器集成USB主機控制器。

一種IMU數據的實時USB存儲方法，包括以下步驟：

微控制器首先進行內部設備的初始化和外圍IMU傳感器、實時時鐘、GPS模塊以及USB主機控制器的初始化；

開啟微控制器定時器中斷和外部中斷，用于設定IMU數據采集間隔以及開啟/停止數據采集存儲狀態；

判斷U盤插入后，采集IMU傳感器的IMU數據和實時時鐘的絕對時戳；

解算四元數；

數據整合并通過USB主機控制器寫入U盤。

所述判斷U盤插入后，采集IMU傳感器的IMU數據和實時時鐘的絕對時戳前，執行如下步驟：

建立新文件，以當前實時時鐘時間轉換成的16進制數命名；

循環判斷自定義寫文件標志位是否置位；

如果自定義寫文件標志位已置位，則循環判斷自定義定時標志位是否置位；

如果自定義定時標志位已置位，則轉到采集IMU傳感器的IMU數據和實時時鐘的絕對時戳步驟。

在所述采集到的原始數據和解算四元數后的解算數據的幀結尾打入年/月/日/時/分/秒的絕對時戳。

在IMU數據采集存儲一段時間后，通過外部中斷的方式停止，確認文件存儲完畢后拔出U盤，將數據拷貝到PC機進行分析處理。

本發明采用實時時鐘和GPS輔助向IMU數據中打入絕對時戳，實現數據的實時采集和存儲。使用小體積的U盤作為存儲介質，配合小體積的電路板，該裝置可以方便地固定在飛行器、機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，可以輕松實現每秒100幀以上的IMU數據采集存儲；待數據存儲完畢，即可將U盤拔出，拷貝數據至PC機進行分析，使得IMU數據采集存儲更為便捷。本發明的技術優勢體現在：

(1)與傳統無絕對時戳IMU數據相比，提供了精確到秒級的絕對時間參考值，便于進行時基數據分析以及更為精確的慣性數據處理；

(2)與現有無線數據傳輸或板載存儲器存儲數據的方法相比，USB大容量存儲器的速度更快、容量更大，更容易將存儲的數據轉移或備份到PC機進行處理；