GPS/IMU 数据传输功能实现总结

实现概述

成功实现了从 STM32H7 通过 UART5 向 Python 程序实时发送 GPS/IMU 数据的完整功能，为后续的电脑控制车辆实际行走做好了准备。

主要特性

✅ 高频实时传输
- GPS数据: 10Hz (解析成功后立即发送)
- IMU数据: 100Hz (解析成功后立即发送)
- 零额外延迟，最小化控制延迟

✅ 可靠的协议设计
- 自定义二进制协议
- CRC16-MODBUS 校验保证数据完整性
- 清晰的帧头/帧尾标识

✅ DMA 高效传输
- UART5 发送和接收均使用 DMA
- 发送队列深度为8，避免丢包
- 波特率: 921600 bps

✅ 完整的数据内容
- GPS: 纬度、经度、航向角、东北天速度、高程、UTC时间、定位质量、卫星数
- IMU: 三轴加速度、三轴角速度、温度、UTC时间

文件修改清单

STM32 固件 (C语言)

Python 解析器

文档

实现细节

1. 协议设计

帧格式: AA 55 TYPE LEN(2) DATA CRC16(2) 0D 0A
        ↑帧头  ↑类型 ↑长度  ↑负载 ↑校验   ↑帧尾

数据类型:
- 0x01: GPS数据包 (56字节)
- 0x02: IMU数据包 (32字节)

CRC16: MODBUS标准，校验范围从帧头到数据负载末尾

2. 触发机制

// GPS解析成功后立即发送 (GPS.c)
static HIDO_INT32 GPS_ParseGPRMI(...)
{
    // ... 解析代码 ...
    l_stGPRMI.m_bValid = HIDO_TRUE;
    
    // 立即发送到Python (10Hz)
    PythonLink_SendGPSData(&l_stGPRMI);
    
    return HIDO_OK;
}

// IMU解析成功后立即发送 (GPS.c)
static HIDO_INT32 GPS_ParseGPIMU(...)
{
    // ... 解析代码 ...
    l_stGPIMU.m_bValid = HIDO_TRUE;
    
    // 立即发送到Python (100Hz)
    PythonLink_SendIMUData(&l_stGPIMU);
    
    return HIDO_OK;
}

这种机制确保了**最小延迟**，适合实时控制场景。

3. 数据流

GPS模块 (UART2) ──> GPS_ParseGPRMI() ──> PythonLink_SendGPSData() ──> UART5 TX ──> Python
                        ↓ 10Hz                    ↓ DMA发送              ↓ 921600bps

IMU模块 (UART2) ──> GPS_ParseGPIMU() ──> PythonLink_SendIMUData() ──> UART5 TX ──> Python
                        ↓ 100Hz                   ↓ DMA发送              ↓ 921600bps

4. Python 接收解析

from gps_imu_receiver import GPSIMUReceiver

receiver = GPSIMUReceiver("COM3", 921600)
receiver.connect()

while True:
    gps_data, imu_data = receiver.receive_packet()
    
    if gps_data:
        print(f"GPS: {gps_data.latitude:.8f}°, {gps_data.longitude:.8f}°, ...")
    
    if imu_data:
        print(f"IMU: Accel({imu_data.accel_x:.3f}g, ...), Gyro(...), ...")

使用方法

STM32 端

1. 确认 UART5 硬件连接正确
2. 编译并烧录固件到 STM32H7
3. 上电后 PythonLink 模块自动初始化
4. GPS/IMU 解析成功后自动发送数据

Python 端

1. 安装依赖:
   bash cd python pip install -r requirements.txt

2. 配置串口 (编辑 gps_imu_receiver.py):
   python PORT = "COM3" # Windows # PORT = "/dev/ttyUSB0" # Linux

3. 运行接收程序:
   bash python gps_imu_receiver.py

测试验证

预期行为

1. GPS数据: 每秒接收约10个GPS数据包
2. IMU数据: 每秒接收约100个IMU数据包
3. CRC校验: 接收端CRC校验应全部通过 (error_count = 0)
4. 数据完整性:

• GPS: 纬度/经度在合理范围内
• IMU: 静止时加速度Z轴约为-1g (重力加速度)
• 温度在正常范围内 (20-40℃)

调试方法

STM32端:
c // 在 app_task 中添加调试输出 PythonLink_PrintDebugInfo(); // 打印发送统计

Python端:
python receiver.print_stats() # 打印接收统计

串口监控:
使用串口助手查看原始数据，确认帧格式正确。

性能指标

扩展性

协议预留了扩展能力:

1. 添加新数据类型

// 在 PythonLink.h 中定义新类型
#define PYTHONLINK_TYPE_SBUS    0x03

// 实现发送函数
HIDO_INT32 PythonLink_SendSBUSData(const ST_SBUSData *_pstSBUS)
{
    // 类似 SendGPSData 的实现
}

2. 双向通信

Python 可发送控制命令到 STM32:

# Python端
def send_control_command(steering, throttle):
    packet = struct.pack('<HH', steering, throttle)
    self.serial.write(packet)

// STM32端
// 在 PythonLink_Poll() 中接收并解析命令
void PythonLink_Poll(void)
{
    // 检查接收缓冲区
    // 解析控制命令
    // 调用 SBUS_Control_PWM() 或其他控制函数
}

注意事项

1. 字节对齐: 使用 __attribute__((packed)) 确保结构体无填充
2. 字节序: 所有数据使用小端序 (Little Endian)
3. 线程安全: 当前实现假设单线程访问，多线程环境需添加互斥锁
4. 错误处理: Python端应正确处理CRC失败、超时等异常
5. 波特率限制: 921600 bps 足够当前数据量，若增加数据类型可能需提升

后续优化建议

短期优化

• [ ] 添加数据包序号，检测丢包
• [ ] 实现 Python -> STM32 的控制命令发送
• [ ] 添加时间戳同步机制
• [ ] 优化 Python 端性能 (使用 asyncio)

中期优化

• [ ] 支持数据压缩 (可选)
• [ ] 添加数据加密 (可选)
• [ ] 实现数据录制和回放功能
• [ ] 集成到 ROS2 (通过 ROS2 bridge)

长期优化

• [ ] 迁移到更高速接口 (USB, Ethernet)
• [ ] 实现多客户端支持
• [ ] 添加远程固件升级功能

总结

本次实现完成了以下目标:

✅ 设计并实现了高效的 GPS/IMU 数据传输协议
✅ 在 GPS/IMU 解析成功后立即触发数据发送，保证实时性
✅ 使用 UART5 + DMA 方式，确保高效可靠传输
✅ 提供完整的 Python 解析器和使用文档
✅ 为后续电脑控制车辆行走奠定基础

所有代码已经集成到仓库中，可以直接编译使用。