CN105806334B - 一种惯性传感器和视觉传感器数据同步采集系统 - Google Patents

Abstract

一种惯性传感器和视觉传感器数据同步采集系统，包括采样时序生成模块、时序编码模块及数据采集及时序绑定模块；采样时序生成模块生成基周期触发信号、惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号，惯性和视觉数据采集触发信号周期为基周期触发信号的整数倍；时序编码模块分别对三个周期性触发信号维护存储单元，并将惯性和视觉数据触发信号对应的存储单元内容同步为基周期触发信号对应的存储单元内容；数据采集及时序绑定模块对接收到惯性和视觉传感器的采集数据附加经过时序编码的惯性和视觉数据采集触发信号对应的维护单元内容。本发明可以同步采集惯性和视觉传感器的数据，消除非同步采集数据带来的误差。

Description

一种惯性传感器和视觉传感器数据同步采集系统

技术领域

本发明涉及惯性传感器和视觉传感器的数据采集及处理领域，尤其是指惯性和视觉传感器组合的同步数据采集系统。

背景技术

惯性传感器，作为具有强自主性的运动传感器，已经广泛应用于运动测量、导航定位等应用。而基于惯性传感器的惯性导航系统，则可以提供位置、速度以及姿态等全部导航参数。但其定位误差随时间的推移而不断变大。

随着各种视觉传感器的发展，计算机视觉也已经在工业以及消费电子中得以广泛应用。将惯性信息与视觉信息融合，构成惯性+视觉导航定位系统，可以进一步提高系统的精度和可靠性。因此在诸如智能移动机器人等领域有广泛应用。

惯性传感器和视觉传感器的采样频率通常不同，惯性传感器数据的采样频率一般在几百赫兹到几千赫兹范围，而视觉传感器采样频率一般在几十赫兹。因此不太可能使用同一个采样触发信号同时采集两种传感器信息。这样，针对包含惯性及视觉的移动机器人导航定位系统，在非同频采样的情况下，惯性传感器和视觉传感器数据的同步采集与标识就非常关键。理论上，不同步的惯性传感器和视觉传感器，测量的并不是同一个时间点上载体的运动，两者之间没有可比性，从而也就无法进行后续的融合计算。

实际中，由于很多应用集中在低动态的情况，而由于物体运动存在惯性的原因，在很短的时间间隔内，可以将载体的运动视为同一个运动。因此这类系统对数据时间同步的要求并不高，当前的大多数的应用，也就没有重点关注采集时间不同步带来的问题，系统通常直接利用采集到的最新数据，进行传感器的融合计算。但对于载体的高动态运动，非同步测量带来的误差将成为影响融合计算的一个主要因素。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种针对包含惯性传感器及视觉传感器的传感器组合系统，实现对传感器数据的同步测量和标记，从而为后续的融合计算提供完全同步的传感器数据，消除由于非同步测量带来的融合计算误差。

本发明提出的解决方案为提供一种惯性传感器和视觉传感器数据同步采集系统，包括：

采样时序生成模块，用于生成三个周期性触发信号，包括基周期触发信号、触发采集惯性传感器数据的惯性数据采集触发信号及触发采集视觉传感器数据的视觉数据采集触发信号；所述惯性数据采集触发信号的触发周期及所述视觉数据采集触发信号的触发周期分别是所述基周期触发信号的触发周期的整数倍；

时序编码模块，接收采样时序生成模块生成的基周期触发信号、惯性数据采集触发信号及所述视觉数据采集触发信号；并针对该三个周期性触发信号分别维护一个相对应的存储单元；所述基周期触发信号对应的存储单元按照生成时间顺序间隔递增；所述惯性数据采集触发信号及所述视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容，分别同步为对应的所述基周期触发信号对应的存储单元的内容；

数据采集与时序绑定模块，将接收到的所述惯性传感器和视觉传感器发送的惯性数据和视觉数据分别附加接收到的所述惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容，对接收到的所述惯性数据和所述视觉数据进行时间标记。

所述惯性数据采集触发信号的触发周期为用户需要的惯性信号采集周期，所述视觉数据采集触发信号的触发周期是用户需要的视觉信号采集周期。

所述采样时序生成模块生成所述基周期触发信号，所述惯性数据采集触发信号和所述视觉数据采集触发信号；并将该三个周期触发信号分别发送至时序编码模块进行时序编码，同时将所述惯性数据采集触发信号发送给所述惯性传感器的信号采集控制端，进行惯性传感器惯性数据采集；将所述视觉数据采集触发信号发送给视觉传感器的信号采集控制端，进行视觉传感器视觉数据采集。

当所述基周期触发信号、惯性数据采集触发信号或视觉数据采集触发信号存在周期相同时，则周期相同的触发信号合并为一个触发信号。

所述基周期触发信号对应的存储单元按照生成时间顺序间隔递增，是指时序编码模块每收到一个基周期触发信号，就对基周期触发信号对应的存储单元增加一个固定的整数值；所述惯性数据采集触发信号及所述视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容，分别同步为对应的所述基周期触发信号对应的存储单元的内容，是指时序编码模块每接收到相应的触发信号，就将对应存储单元的内容更改为此时与基周期触发信号对应存储单元的内容。

本发明的原理是：采样时序生成模块生成三个严格时间同步的周期触发信号，包括：一个基周期触发信号，一个惯性数据采集触发信号，一个视觉数据采集触发信号，其中惯性数据和视觉数据用的采集触发信号都是基周期触发信号的整数倍。惯性数据采集触发信号与惯性传感器的采集控制端连接，控制惯性传感器的数据采集。视觉数据采集触发信号与视觉传感器的采集控制端连接，控制视觉传感器的数据采集。三个周期触发信号均与时序编码模块连接，时序编码模块不断地接收这三个周期性触发信号，并针对每个触发信号，维护一个存储单元，每收到一个基周期信号，则基周期信号对应的存储单元按照一定的整数间隔递增；每收到一个惯性数据采集触发信号，则将与惯性数据采集触发信号对应的存储单元的内容同步为基周期信号对应的存储单元的内容；每收到一个视觉数据采集触发信号，则将与视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容同步为基周期信号对应的存储单元的内容。数据采集与时序绑定模块在收到惯性传感器和视觉传感器的采集数据时，将时序编码与对应的传感器采集数据关联，将接收到的所述惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容附加在对应的传感器采集数据上实现传感器采集数据的时间标记。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)从根本上解决了惯性传感器和视觉传感器的同步采集问题，消除了由于采集时间不同步带来的融合计算误差，提高了后续信息融合计算的性能，提高了惯性和视觉导航定位系统的精度和可靠性。

(2)该同步采集系统具有通用性。不仅可用于包含惯性和视觉传感器的高动态移动机器人导航定位系统，还可以用于包含惯性和视觉传感器的其他载体用导航定位系统，也可以用于对同步采集有要求的其他多传感器采集系统，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1，为本发明中惯性传感器和视觉传感器数据同步采集系统流程框架图。

图2，为本发明中时序编码模块功能流程图。

图3，为本发明具体三个周期触发信号的时序关系举例图。

具体实施方式

针对上述本发明的技术方案，现举一较佳实施例并结合图示进行具体说明。本发明的惯性传感器和视觉传感器数据同步采集系统，主要包括采样时序生成模块、时序编码模块、数据采集与时序绑定模块，其中：

参看图1，采样时序生成模块生成三个周期性触发电信号，其中第一个为基周期触发信号，第二个为惯性数据采集触发信号，第三个为视觉数据采集触发信号。惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号基于基周期触发信号生成。该采样时序生成模块将生成的三个周期性触发信号发送给时序编码模块，并将生成的惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号分别发送至惯性传感器和视觉传感器。惯性数据采集触发信号的触发周期是用户需要的惯性信号采集周期，生成的惯性数据采集触发信号发送给惯性传感器的信号采集控制端，惯性传感器收到该触发信号后对惯性传感器信号进行数据采集。视觉数据采集触发信号的触发周期是用户需要的视觉信号采集周期，生成的视觉数据采集触发信号发送给视觉传感器的信号采集控制端，视觉传感器收到该触发信号后对视觉传感器信号进行数据采集。惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号的触发周期均为基周期触发信号的触发周期的整数倍。通常采用的基周期触发信号的触发周期是惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号的触发周期的最大公约数。图3为三个周期触发信号的时序关系举例图。由图3举例可知，惯性数据采集触发信号的惯性数据采集周期是基周期触发信号的基周期的2倍，视觉数据采集触发信号的视觉数据采集周期是基周期触发信号的基周期的5倍。惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号的周期根据基周期触发信号的周期生成。

时序编码模块，参看图1，接收采样时序生成模块生成的三个周期性触发信号，并针对每个触发信号，维护一个存储单元。每收到一个基周期触发信号，则基周期触发信号对应的存储单元按照一定的整数间隔递增，比如收到的第一个基周期触发信号对应的存储单元标记为1，则收到的第二个基周期触发信号对应的存储单元标记为2，以接收到的基周期触发信号的时间顺序对依次收到的基周期触发信号对应的存储单元进行时间顺序标记。每收到一个惯性数据采集触发信号，则将与惯性数据采集触发信号对应的存储单元的内容同步为对应的基周期触发信号对应的存储单元的内容；每收到一个视觉数据采集触发信号，则将与视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容同步为对应的基周期信号对应的存储单元的内容。参看图2，为时序编码模块的具体功能流程描述，首先进行准备工作，然后进行如下工作：

1、初始化，主要是在系统开始工作时，对基周期触发信号对应的存储单元进行初始化，比如置零；

2、接收三个周期性触发信号，并作步骤3，4，5的循环接收操作；

3、如果收到的是基周期触发信号，则基周期触发信号对应的存储单元自动递增，然后返回至步骤2进行信号循环接收；

4、如果收到的是惯性数据采集触发信号，则将惯性数据采集触发信号对应的存储单元的内容，同步更新为基周期触发信号对应的存储单元的内容，然后返回至步骤2进行信号循环接收；

5、如果收到的是视觉数据采集触发信号，则将视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容，同步更新为基周期触发信号对应的存储单元的内容，然后返回至步骤2进行信号循环接收。

通过步骤3至步骤5之间的信号循环接收，及随时根据接收到的惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号，将其对应的存储单元的内容同步为对应的基周期触发信号对应的存储单元的内容。

时序编码模块可以看作是中断处理器和相应的中断处理函数，三个周期性触发信号作为中断输入给中断处理器，每个中断有其相应的中断处理函数，中断处理函数的主要功能就是维持一个与相应触发信号对应的存储单元，类似于寄存器，基周期触发信号的中断处理是对相应的寄存器在自动递增，其余两个信号的中断处理是读取基周期触发信号对应的寄存器值，并保存在本信号对应的寄存器中。

数据采集与时序绑定模块，接收惯性传感器和视觉传感器的采集数据，并将对应存储单元的内容，作为该数据的时间标记，附加在数据上。即对接收到的惯性数据附加惯性数据采集触发信号对应的存储单元内容，作为该惯性数据的时间标记；对接收到的视觉数据附加视觉数据采集触发信号对应的存储单元内容，作为该视觉数据的时间标记。

在发明中，当最大公约数为惯性数据采集触发信号或视觉数据采集触发信号的周期时，则基周期触发信号与该周期对应的触发信号合并为一个触发信号。比如，基周期触发信号的周期与惯性数据采集触发信号的周期相同时，则基周期触发信号和惯性数据采集触发信号可合并为一个触发信号，即惯性数据采集触发信号。则时序编码模块根据收到的惯性数据采集触发信号维护一个对应的存储单元，当每收到一个惯性数据采集触发信号，其对应的存储单元则以整数间隔递增。视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容同步为惯性数据采集触发信号对应的存储单元的内容。

本发明的惯性传感器和视觉传感器的数据同步采集系统其工作原理为：通过时序生成模块生成三个周期性触发信号，基周期触发信号、惯性数据采集触发信号、视觉数据采集触发信号；惯性数据采集触发信号周期和视觉数据采集触发信号周期分别是基周期触发信号周期的整数倍。时序生成模块将基周期触发信号、惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号分别发送给时序编码模块，通过时序编码模块分别对基周期触发信号、惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号维护一个对应的存储单元，每收到一个基周期触发信号，基周期触发信号对应的存储单元以整数间隔递增。每收到一个惯性数据采集触发信号或视觉数据采集触发信号，就将该惯性数据采集触发信号或视觉数据采集触发信号对应的存储单元内容同步为对应的基周期触发信号对应的存储单元内容，并将进行了时序编码的同步为对应的基周期触发信号对应的存储单元内容的惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号对应的存储单元信息发送至数据采集及时序绑定模块；同时，时序生成模块将生成的惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号分别发送至惯性传感器和视觉传感器的信号采集控制端，分别采集惯性传感器和视觉传感器的惯性数据和视觉数据，采集的惯性数据和视觉数据再经惯性传感器和视觉传感器分别发送至数据采集与时序绑定模块。在数据采集与时序绑定模块中，将接收到的惯性数据附加惯性数据采集触发信号对应的存储单元的内容，将接收到的视觉数据附加视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容，完成采集数据的时间标记。由于惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容已经同步为对应的基周期触发信号对应的存储单元的内容，因此，进行了时间标记的惯性数据和视觉数据便会存储于与其采集时间、周期一致的基周期触发信号对应的存储单元中，实现了惯性数据和视觉数据的同步采集。同步采集的惯性数据和视觉数据进行后续的信息融合，由于消除了非同步采集数据带来的误差，因此提高了惯性和视觉导航定位系统的精度和可靠性。

Claims (5)

1.一种惯性传感器和视觉传感器数据同步采集系统，其特征在于包括：

采样时序生成模块，用于生成三个周期性触发信号，包括基周期触发信号、触发采集惯性传感器数据的惯性数据采集触发信号及触发采集视觉传感器数据的视觉数据采集触发信号；所述惯性数据采集触发信号的触发周期及所述视觉数据采集触发信号的触发周期分别是所述基周期触发信号的触发周期的整数倍；

时序编码模块，接收采样时序生成模块生成的基周期触发信号、惯性数据采集触发信号及所述视觉数据采集触发信号；并针对该三个周期性触发信号分别维护一个相对应的存储单元；所述基周期触发信号对应的存储单元按照生成时间顺序间隔递增；所述惯性数据采集触发信号及所述视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容，分别同步为对应的所述基周期触发信号对应的存储单元的内容；

数据采集与时序绑定模块，将接收到的所述惯性传感器和视觉传感器发送的惯性数据和视觉数据分别附加接收到的所述惯性数据采集触发信号和视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容，对接收到的所述惯性数据和所述视觉数据进行时间标记。

2.根据权利要求1所述的惯性传感器和视觉传感器数据同步采集系统，其特征在于所述惯性数据采集触发信号的触发周期为用户需要的惯性信号采集周期，所述视觉数据采集触发信号的触发周期是用户需要的视觉信号采集周期。

3.根据权利要求1所述的惯性传感器和视觉传感器数据同步采集系统，其特征在于所述采样时序生成模块生成所述基周期触发信号，所述惯性数据采集触发信号和所述视觉数据采集触发信号；并将该三个周期触发信号分别发送至时序编码模块进行时序编码，同时将所述惯性数据采集触发信号发送给所述惯性传感器的信号采集控制端，进行惯性传感器惯性数据采集；将所述视觉数据采集触发信号发送给视觉传感器的信号采集控制端，进行视觉传感器视觉数据采集。

4.根据权利要求1所述的惯性传感器和视觉传感器数据同步采集系统，其特征在于当所述基周期触发信号、惯性数据采集触发信号或视觉数据采集触发信号存在周期相同时，则周期相同的触发信号合并为一个触发信号。

5.根据权利要求1所述的惯性传感器和视觉传感器数据同步采集系统，其特征在于所述基周期触发信号对应的存储单元按照生成时间顺序间隔递增，是指时序编码模块每收到一个基周期触发信号，就对基周期触发信号对应的存储单元增加一个固定的整数值；所述惯性数据采集触发信号及所述视觉数据采集触发信号对应的存储单元的内容，分别同步为对应的所述基周期触发信号对应的存储单元的内容，是指时序编码模块每接收到相应的触发信号，就将对应存储单元的内容更改为此时与基周期触发信号对应存储单元的内容。