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      基于STM32的步行者航位推算裝置設(shè)計(jì)*

      2014-08-27 08:34:24羅胤路鴻洲趙宇王君
      關(guān)鍵詞:步行者步幅陀螺儀

      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。

      [1]Lei Fang,Panos J Antsaklis,Montestruque,et al.Design of a Wireless Assisted Pedestrian Dead Reckoning System-the NavMote Experience[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2005(12):2342-2355.

      [2]Lauro Ojeda,Johann Borenstein.Non-GPS Navigation with the Personal Dead-Reckoning System[EB/OL].[2013-09].http://www-personal.umich.edu/~johannb/Papers/paper130.pdf.

      [3]孫作雷,茅旭初,張相芬,等.基于粒子濾波和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的步行者定位參數(shù)校正[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009:885-889.

      [4]宋敏,申閆春.室內(nèi)定位航位推測(cè)算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2013(7):294.

      [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.

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

      [8]陳偉韜,章云.基于LSM303DLHC 的電子羅盤設(shè)計(jì)[EB/OL].[2013-09].http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content.

      [9]孫作雷,茅旭初,田蔚風(fēng),等.基于動(dòng)作識(shí)別和步幅估計(jì)的步行者航位推算[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008(12):2004.

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