基于分布式采集和无线传输的多工位IMU批量标定系统及方法

本发明属于惯性测量单元批量标定，具体涉及一种基于分布式采集和无线传输的多工位imu批量标定系统及方法。

背景技术：

1、惯性测量单元（inertial measurement unit，imu）通常包含陀螺仪、加速度计及温度检测等部件，广泛应用于导航、姿态测量、运动控制及自动化装备等领域。为了获取imu的零偏、标度因数、安装误差及温度漂移等关键参数，通常需要借助精密转台执行严格的标定测试。

2、在现有的批量标定方案中，通常由固定端计算机或主控机控制转台运动，并通过rs485总线、usb接口、以太网线缆或集流环（滑环）线路读取多个采集前端的数据。这种方式在标定少量imu时能够满足测试需求。然而，随着高容量批量标定需求的出现，当待标定的imu数量扩展至数百个，且要求在200hz甚至500hz的高采样频率下持续获取多轴数据时，现有技术则存在以下问题：第一，多工位imu的数据必须跨越转台旋转端与固定端之间的运动边界。若采用大量线缆或多通道滑环传输，不仅线缆布置复杂、滑环通道数量存在物理上限，而且长距离有线传输的信号完整性难以保证，系统的维护难度及故障率增高，难以兼顾大容量数据传输与布线的简洁性。第二，高精度的imu标定要求多个imu的数据采样必须与同一转台运动状态（如转台角度、角速度等）严格对齐。在现有的由固定端逐个轮询读取或由多个独立采集端分散上传的模式下，各节点数据易出现采样批次不一致、时间戳错位等问题，导致工位对应关系混乱，使得固定端计算机在进行数据重排和标定参数解算时面临困难。第三，imu器件通常采用spi等短距离高速接口输出多轴数据。为了适应跨转台的有线长距离传输，现有方案不得不将spi信号转换为长距离串行总线（如rs485）信号，这不仅增加了接口转换电路和电气隔离的成本，而且提高了整体同步控制的复杂度。

3、综上所述，现有的多工位imu标定系统在应对数百个imu的高频批量标定时，受到滑环通道限制、数据同步性差以及通信协议转换复杂等固有缺陷的制约。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于分布式采集和无线传输的多工位imu批量标定系统及方法，其目的在于克服现有大容量imu标定方案中跨界传输通道受限、多节点数据同步差以及长距离协议转换复杂的缺陷。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供一种基于分布式采集和无线传输的多工位imu批量标定系统，包括：

4、imu标定阵列，设置于转台旋转端，用于安装多个待标定imu；

5、至少一台spi分布式数据采集器，设置于所述转台旋转端，通过spi接口与所述多个待标定imu连接；

6、同步触发信号源，与所述spi分布式数据采集器通信连接，用于输出同步触发信号；

7、所述spi分布式数据采集器响应于所述同步触发信号，在同一采样周期内采集所述待标定imu的数据并写入相同的采样批次号，结合所述待标定imu的标识信息封装生成采集数据帧；

8、旋转端汇聚装置，设置于所述转台旋转端并与所述spi分布式数据采集器连接，用于汇聚所述采集数据帧；

9、旋转端无线发送装置，设置于所述转台旋转端并与所述旋转端汇聚装置连接，用于通过无线链路发送汇聚后的所述采集数据帧；

10、固定端无线接收装置，设置于转台固定端，用于接收汇聚后的所述采集数据帧；以及

11、固定端计算机，设置于所述转台固定端并与所述固定端无线接收装置连接，用于根据所述采集数据帧中的采样批次号合并同一采样周期的数据，并根据所述标识信息对所述待标定imu的数据进行重排，生成批量标定数据集。

12、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述spi分布式数据采集器包括控制单元、多路spi主机接口、片选控制单元、直接内存访问接收单元和本地缓存单元；所述控制单元用于控制所述多路spi主机接口读取所述待标定imu的数据，所述片选控制单元用于选通对应的所述待标定imu，并通过所述直接内存访问接收单元将采集的数据写入所述本地缓存单元中。

13、在第一方面的一种可能的实现方式中，同一路所述spi主机接口上连接的多个待标定imu共用spi时钟信号线和主出从入信号线，并分别通过所述片选控制单元输出的独立片选信号线与相应的所述待标定imu的片选端连接。

14、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述标识信息包括工位编号，以及当所述spi分布式数据采集器为多台时的采集器编号。

15、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述采集数据帧还包含转台状态信息，所述转台状态信息包括转台角度、转台角速度、转台运动阶段和时间戳中的至少一种，以供所述固定端计算机在重排后将所述待标定imu的数据与相应的转台运动状态对齐。

16、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述旋转端汇聚装置为以太网交换机或以太网汇聚控制器；多台所述spi分布式数据采集器通过以太网有线接口连接至所述旋转端汇聚装置进行所述转台旋转端内部的高速数据汇聚，所述以太网有线接口不作为跨越转台旋转边界的传输通道。

17、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述采集数据帧还包含帧序号和校验码，所述旋转端无线发送装置中保留有本地缓存；所述固定端计算机在根据所述校验码和帧序号检测到接收的采集数据帧存在缺帧、乱序帧或校验失败时，生成包含缺失帧序号的重传请求并通过无线链路反馈发送至所述旋转端无线发送装置；所述旋转端无线发送装置根据所述重传请求从所述本地缓存中读取对应的采集数据帧并重新发送。

18、第二方面，本发明提供一种基于分布式采集和无线传输的多工位imu批量标定方法，应用于第一方面所述的多工位imu批量标定系统，所述方法包括：

19、将多个待标定imu安装于转台旋转端的imu标定阵列中；

20、通过同步触发信号源向设置于所述转台旋转端的spi分布式数据采集器输出同步触发信号；

21、所述spi分布式数据采集器响应于所述同步触发信号，在同一采样周期内通过spi接口采集所述待标定imu的数据并写入相同的采样批次号，结合所述待标定imu的标识信息封装生成采集数据帧；

22、旋转端汇聚装置汇聚所述采集数据帧，并通过旋转端无线发送装置以无线链路发送至转台固定端的固定端无线接收装置；

23、设置于所述转台固定端的固定端计算机获取所述固定端无线接收装置接收的所述采集数据帧，根据所述采集数据帧中的采样批次号合并同一采样周期的数据，并根据所述标识信息对所述待标定imu的数据进行重排，生成批量标定数据集。

24、在第二方面的一种可能的实现方式中，所述spi分布式数据采集器包括控制单元、多路spi主机接口、片选控制单元、直接内存访问接收单元和本地缓存单元；

25、所述采集所述待标定imu的数据的方式包括：

26、对于同一路所述spi主机接口下连接的多个待标定imu，通过所述片选控制单元输出的片选信号在一个采样周期内依次选通并进行分时读取；

27、对于不同路所述spi主机接口下连接的待标定imu，通过所述控制单元控制多路所述spi主机接口进行并行读取；

28、并且，通过所述直接内存访问接收单元将采集的数据写入所述本地缓存单元中。

29、在第二方面的一种可能的实现方式中，所述采集数据帧还包含帧序号和校验码；

30、所述固定端计算机获取所述采集数据帧后，所述方法还包括：

31、所述固定端计算机根据所述校验码和帧序号对所述采集数据帧进行校验及帧序号连续性检测；

32、若检测到缺帧或校验失败，所述固定端计算机生成包含缺失帧序号的重传请求并通过无线链路反馈至所述转台旋转端的旋转端无线发送装置；

33、所述旋转端无线发送装置根据所述重传请求从本地缓存中读取对应帧序号的采集数据帧并重新发送。

34、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

35、本发明提供的基于分布式采集和无线传输的多工位imu批量标定系统，通过硬件架构与数据链路的协同，有效克服了传统大容量标定方案中存在的物理通道受限、同步重排困难及协议转换复杂等固有缺陷。本发明将spi分布式数据采集器直接部署于转台旋转端，利用spi接口就近获取待标定imu数据，从源头上免除了长距离串行总线协议转换与隔离电路成本；同时，在同步触发信号源的全局驱动下，采集端实现了多节点严格同一采样周期的并发采集，还为底层数据打上相同的采样批次号与imu标识信息，从硬件层面解决了海量分散数据的时空同步与身份绑定难题；上述高频采集数据在旋转端内部经由汇聚装置高速整合后，通过无线发送装置以无线链路跨越转台运动边界传输至固定端，摆脱了传统滑环通道数量的物理上限及密集线缆带来的布线羁绊与信号衰减风险，提升了系统硬件的扩展能力，运行可靠；最终，固定端计算机仅需解析数据帧内自带的批次号与标识信息，即可完成多工位海量数据的周期合并与溯源重排。上述特征相互关联递进，满足数百个imu节点在超高频采样条件下的并发标定需求。