基于STM32的步行者航位推算裝置設(shè)計(jì)＊

羅胤，路鴻洲，趙宇，王君

（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012）

引 言

在野外一些林木茂密、巖石多布的地帶，或者城市里高樓林立的地區(qū)，全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）會(huì)因?yàn)樾盘?hào)遮擋出現(xiàn)定位精度下降甚至無(wú)法進(jìn)行方位解算的情況，因此近年來(lái)針對(duì)步行者自身運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)提出的自包含定位方案成為研究熱點(diǎn)。所采用的方案多為利用可穿戴傳感器完成步行者航位推算（Pedestrian Dead Reckoning，PDR），通過(guò)在步行者腰間穿戴的傳感器提取步行者的運(yùn)動(dòng)信息［1］，傳至計(jì)算機(jī)上進(jìn)行步行者航位推算；通過(guò)在步行者腳上設(shè)置陀螺儀與三軸加速度計(jì)等提取步行者的步行信息傳至計(jì)算機(jī)上，利用Matlab軟件進(jìn)行3D圖像處理［2］；采用粒子濾波和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)步行者的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行識(shí)別和篩選，提高了步行者航位推算的精度［3］。但由于這些設(shè)計(jì)的步行者航位信息是在計(jì)算機(jī)上經(jīng)過(guò)專門軟件處理后得到的，其實(shí)用性不是很高，同時(shí)在室外使用時(shí)，計(jì)算機(jī)的便攜程度不高，因此開(kāi)發(fā)一套便攜式、實(shí)用性高的步行者航位推算裝置是十分必要的。

針對(duì)以上設(shè)計(jì)存在的缺點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合步行者航位推算的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一套便攜實(shí)用性高的步行者航位推算裝置。它使用三軸加速度計(jì)與電子羅盤集成芯片LSM303DLHC以及陀螺儀集成芯片MPU3050，多傳感器保證了步行者運(yùn)動(dòng)信息采集的準(zhǔn)確性，同時(shí)采用具有ARM Cortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)STM32F103RBT6作為數(shù)據(jù)處理單元，將實(shí)時(shí)處理的步行者航位推算信息顯示于TFTLCD上，具有較高數(shù)據(jù)處理精度的同時(shí)亦能滿足便攜性與實(shí)用性的需求。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

該步行者航向推算裝置主要由三維傳感器模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊與處理模塊組成，具體的組成框圖如圖1所示。

三維傳感器模塊上分為三軸加速度計(jì)與電子羅盤集成芯片LSM303DLHC、陀螺儀集成芯片MPU3050，以及用于數(shù)據(jù)處理的單片機(jī)STM32F103RBT6。實(shí)際工作時(shí)，三軸傳感器模塊置于步行者腰間，三維加速度計(jì)用于采集前左上三個(gè)方向上的加速度，用于計(jì)算模塊的俯仰角與傾斜角，以及步行者的步數(shù)統(tǒng)計(jì)與步幅估計(jì)；電子羅盤采集步行者實(shí)時(shí)航向角數(shù)據(jù)；陀螺儀測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)三軸角速度以校正計(jì)算出的俯仰角與傾斜角；單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，采用串口與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)處理模塊核心也采用了單片機(jī)STM32F103RBT6，在與三維傳感器模塊串口通信的同時(shí)，將航位推算所需的數(shù)據(jù)通過(guò)FAT32文件系統(tǒng)存于SD卡中。顯示模塊采用的是TFTLCD ILI9320，當(dāng)步行者需要查看當(dāng)前的航位信息時(shí)，單片機(jī)可通過(guò)FAT32文件系統(tǒng)從SD 卡中調(diào)出原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行航位推算處理，最終將步行者的航跡顯示于TFTLCD上。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片及外圍電路設(shè)計(jì)

主從單片機(jī)都采用ST 公司生產(chǎn)的具有ARM Cortex-M3內(nèi)核的工業(yè)級(jí)控制芯片STM32F103RBT6，它具有72MHz時(shí)鐘主頻，內(nèi)部ROM 存儲(chǔ)容量為128KB，RAM 存儲(chǔ)容量為20KB。它具有8個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，3個(gè)SPI、2個(gè)I2C總線、3個(gè)UART、1個(gè)USB、1個(gè)CAN 總線等通信端口，這些通信端口完全能滿足本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的需要。

STM32F103RBT6芯片由3.3V 電壓供電，而外部電源為5V 電池，因此采用降壓芯片AMS1117-3.3，它能將輸出電壓降低并且穩(wěn)定在3.3V，精度為1%。

2.2 三維傳感器模塊設(shè)計(jì)

LSM303DLHC芯片可在2.16～3.6V 低電壓下正常工作，其內(nèi)置三軸加速度計(jì)，量程為±2g～±16g。電子羅盤量程可為±1.3～±8.1gauss，單片機(jī)通過(guò)SCL、SDA引腳與其進(jìn)行I2C總線通信，編程寄存器CTRL＿REG4內(nèi)容可設(shè)置三軸加速度計(jì)量程，編程寄存器CRB＿REG＿M(jìn)內(nèi)容可設(shè)置電子羅盤量程，其外圍電路如圖2所示。

MPU3050能在2.1～3.6V 低電壓下正常工作，其內(nèi)置的陀螺儀可測(cè)出三軸方向上±250～±2000°／s的角位移，通過(guò)編程其寄存器DLPF＿FS可以選擇陀螺儀工作的量程，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)I2C 總線，可從X＿OFFS＿USRH／L、Y＿OFFS＿USRH／L、Z＿OFFS＿USRH／L 這6個(gè)數(shù)據(jù)寄存器讀出三軸原始數(shù)據(jù)，其外圍電路如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示模塊設(shè)計(jì)

圖2 LSM303DLHC外圍接口原理圖

圖3 MPU3050外圍接口原理圖

負(fù)責(zé)航位推算的主單片機(jī)與三維傳感器模塊上的從單片機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行通信，它們被設(shè)置為相同的波特率。由于STM32F103RBT6的內(nèi)置RAM 容量只有20KB，而航位推算過(guò)程中使用的數(shù)據(jù)容量遠(yuǎn)大于其內(nèi)存容量，所以采用FAT32文件系統(tǒng)，把主單片機(jī)接收的數(shù)據(jù)存入SD卡中，單片機(jī)通過(guò)SPI接口存入或讀出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的原理圖如圖4所示。

顯示模塊采用了Ilitek 公司生產(chǎn)的TFTLCD ILI9320，分辨率為320×240，正常工作電壓為3.3V，采用16位雙向數(shù)據(jù)線，單片機(jī)通過(guò)WR引腳向TFTLCD 里寫入數(shù)據(jù)，通過(guò)RD 引腳讀出數(shù)據(jù)，顯示模塊的原理圖如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊原理圖

圖5 顯示模塊原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 航跡推算原理

步行者的運(yùn)動(dòng)通常可以認(rèn)為是二維運(yùn)動(dòng)［4］，步行者一個(gè)步伐周期內(nèi)的兩個(gè)落腳點(diǎn)間的連線可以認(rèn)為是直線，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為一個(gè)步伐周期時(shí)，已知步行者上一采樣周期末的方位信息與本次采樣周期內(nèi)步伐長(zhǎng)度與航向角信息，可以推算出本次采樣周期末步行者的方位信息。以二維x-y坐標(biāo)平面表示，設(shè)步行者初始時(shí)刻的方位為（x0，y0），任意時(shí)刻t的方位為（xt，yt），步行者每個(gè)采樣周期內(nèi)的步長(zhǎng)為S，航向角為A，則按照一個(gè)步伐周期T 內(nèi)采樣，根據(jù)遞推原則，任意時(shí)刻t步行者的方位如下：

3.2 航向角計(jì)算

由三軸加速度計(jì)測(cè)出的前左上三個(gè)方向上的加速度數(shù)Ax、Ay、Az可以計(jì)算出三維傳感器模塊的俯仰角（以θ1表示）和傾斜角（以θ2表示）為［5］：

式中的Ax、Ay、Az為經(jīng)過(guò)最小二乘法［6］校正后的三軸加速度值，由于傳感器模塊置于步行者腰間，步行者在走動(dòng)的時(shí)候不可避免地引入振動(dòng)干擾，造成俯仰角與傾斜角解算誤差，因此采用互補(bǔ)濾波，融合陀螺儀數(shù)據(jù)，降低因振動(dòng)干擾帶來(lái)的解算誤差。設(shè)陀螺儀經(jīng)過(guò)互補(bǔ)濾波算法處理后，三軸的數(shù)據(jù)分別為Gx、Gy、Gz，融合后三個(gè)方向上的加速度為A′x、A′y、A′z，給三個(gè)方向上加速度賦予的權(quán)重為，給陀螺儀三軸數(shù)據(jù)的權(quán)重為，則可以用下式表示：

通過(guò)降低加速度值的權(quán)重，提高陀螺儀三軸數(shù)據(jù)的權(quán)重可以取得較好的濾波效果，將處理完的加速度值代入式（3），可以得到去噪后的俯仰角與傾斜角。結(jié)合電子羅盤測(cè)出的三軸磁場(chǎng)分量Mx、My、Mz，設(shè)在經(jīng)過(guò)傾角補(bǔ)償［7］后投影到x-y水平面上的磁場(chǎng)分量為Hx、Hy，則步行者的航向角A 可以由下式得到：

式（4）中的Mx、My、Mz為經(jīng)過(guò)橢球校正［8］后的三軸磁場(chǎng)分量。

3.3 步數(shù)統(tǒng)計(jì)與步幅估計(jì)

由于三維傳感器模塊是置于步行者腰間的，加速度計(jì)探測(cè)到豎直方向加速度隨著步行者的走動(dòng)周期性變化，因此采用豎直方向加速度閾值判斷的方法來(lái)統(tǒng)計(jì)步行者的行進(jìn)步數(shù)。同時(shí)，步行者的步頻與步幅間存在近似的線性關(guān)系，步行者的步頻（單位為Hz）與步幅（單位為m）可以用以下模型［9］來(lái)估計(jì)：

式中，S 為步行者實(shí)時(shí)步幅，F(xiàn) 為步行者實(shí)時(shí)步頻。通過(guò)在數(shù)據(jù)處理終端統(tǒng)計(jì)步行者的實(shí)時(shí)步頻，可以根據(jù)式（5）來(lái)判斷步行者的實(shí)時(shí)步幅，從而減小步行者行進(jìn)距離統(tǒng)計(jì)誤差。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

實(shí)地測(cè)試結(jié)果如圖6所示，測(cè)試場(chǎng)地為學(xué)校內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)田徑場(chǎng)，田徑場(chǎng)包含的兩條直道一條為東西走向，另一條為西東走向，測(cè)試的時(shí)候選取標(biāo)準(zhǔn)田徑場(chǎng)的第5 跑道，步行實(shí)際長(zhǎng)度為430m，實(shí)際步數(shù)為560步，經(jīng)航位推算測(cè)得的步數(shù)為587 步，測(cè)得的步行距離為428.5m，步數(shù)統(tǒng)計(jì)相對(duì)誤差為4.8%，距離統(tǒng)計(jì)相對(duì)誤差小于1%。與實(shí)際路線相比，最大偏移為5 m，出現(xiàn)在東西走向的直線跑道上，偏移區(qū)間長(zhǎng)度為85m，航向角測(cè)得的誤差在±2°～±4°以內(nèi)，說(shuō)明以上方法設(shè)計(jì)的步行者航位推算裝置有較高的精確性、實(shí)時(shí)性與可靠性，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖6 測(cè)試結(jié)果示意圖

結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了基于STM32F103RBT6單片機(jī)的步行者航位推算裝置的硬件設(shè)計(jì)與采用的軟件算法，完成了對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)的采集和航跡推算。采用單片機(jī)與微慣性器件搭建的系統(tǒng)，能滿足小型化、實(shí)用性、便攜性及易于搭建的應(yīng)用要求，經(jīng)過(guò)實(shí)地實(shí)驗(yàn)，其測(cè)算精度亦能滿足實(shí)際需求。

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［5］ST.AN3182 Application Note［EB／OL］.［2013-09］.http：www.st.com／internet／com.

［6］ST.AN3182 Application Note［EB／OL］.［2013-09］.http：www.st.com／internet／com.

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