基于無(wú)線通訊的物體運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

唐 峰,楊利容,高　旺

（1.衡陽(yáng)師范學(xué)院南岳學(xué)院物理與電子信息科學(xué)系，湖南衡陽(yáng),421008；2.衡陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng),421008）

基于無(wú)線通訊的物體運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

唐 峰1,楊利容2,高旺1

（1.衡陽(yáng)師范學(xué)院南岳學(xué)院物理與電子信息科學(xué)系，湖南衡陽(yáng),421008；2.衡陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng),421008）

運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)儀在行走距離估計(jì)、導(dǎo)航系統(tǒng)、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。該論文以STM32F103單片機(jī)、NRF24L01無(wú)線通訊模塊、MPU-6050運(yùn)動(dòng)傳感器、HMC5883電子羅盤(pán)、TFTLCD液晶屏等模塊，設(shè)計(jì)一種可無(wú)線測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)軌跡的儀器。通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳感器采集的加速度和偏轉(zhuǎn)角度α，以及電子羅盤(pán)采集的偏轉(zhuǎn)角度θ，利用無(wú)線模塊傳遞采集數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行角度修正，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)融合算法，歐拉角法描述物體坐標(biāo)系相對(duì)于地理坐標(biāo)系的空間角位置關(guān)系，能精準(zhǔn)計(jì)算物體每一時(shí)刻的速度和位移，然后通過(guò)液晶顯示，可觀察到物體每一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。將獲取的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至PC機(jī)，用Matlab仿真軟件獲取物體的運(yùn)動(dòng)軌跡圖形。

陀螺儀；加速度傳感器；電子羅盤(pán)；無(wú)線軌跡測(cè)量?jī)x

0　引言

對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用外部檢測(cè)的方法精度很高，但是成本也相對(duì)較高，而且通常受制于外部條件，如GPS不能在室內(nèi)使用，圖像視覺(jué)技術(shù)需要良好的拍攝角度、充足的光線等。本文研究的無(wú)線物體運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)與外部觀測(cè)系統(tǒng)相比，本文具有不依賴(lài)于各種外部檢測(cè)系統(tǒng)，也不受任何外部條件的影響。采集數(shù)據(jù)較為簡(jiǎn)單，不需要用戶參與，也不需要任何其他設(shè)備配合，具有完全的自主性。且成本廉價(jià)，體積小巧，可以集成到手機(jī)、平板電腦等小型設(shè)備中，對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)非常方便。本軌跡測(cè)量系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，3D游戲手柄、空中手寫(xiě)筆、三維無(wú)線鼠標(biāo)、導(dǎo)航系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量、振動(dòng)檢測(cè)、彈道檢測(cè)、步態(tài)識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別等。

1　硬件電路設(shè)計(jì)

軌跡測(cè)量?jī)x分下位機(jī)和上位機(jī)兩部分，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，下位機(jī)主要包括單片機(jī)、運(yùn)動(dòng)傳感器、電子羅盤(pán)、無(wú)線收發(fā)、液晶顯示、存儲(chǔ)單元；上位機(jī)為PC機(jī)。運(yùn)動(dòng)傳感器包括陀螺儀和加速度傳感器，分別對(duì)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的角速度信號(hào)和加速度信號(hào)采集；電子羅盤(pán)負(fù)責(zé)角度采集，對(duì)物體定位航行方向；運(yùn)動(dòng)傳感器和電子羅盤(pán)將獲取的信號(hào)傳送給單片機(jī)并經(jīng)無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送；無(wú)線接收模塊接收到信號(hào)后傳送至主控單片機(jī)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)單元，單片機(jī)獲取信息后由軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和圖像軌跡的繪制并將其傳送給PC機(jī)。

圖1　整體結(jié)構(gòu)框圖

圖2　運(yùn)動(dòng)傳感器電路

圖3　電子羅盤(pán)電路

1.1單片機(jī)控制電路

采用STM32系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，STM32具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部主系統(tǒng)時(shí)鐘72MHz，相比其他單片機(jī)處理數(shù)據(jù)要快很多。由于STM32內(nèi)部集成很多硬件功能，例如本系統(tǒng)將會(huì)用到STM32內(nèi)部SPI和IIC硬件接口以及FSMC靜態(tài)存儲(chǔ)器功能，因此可以加快數(shù)據(jù)通信速度，還可以省去很多外圍硬件電路，使得電路簡(jiǎn)單易行。

1.2傳感器模塊

MPU6050是全國(guó)首列9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C連接一個(gè)第三方向的數(shù)字傳感器。擴(kuò)展后可以通過(guò)其I2C或SPI接口輸出9軸信號(hào)。MPU6050也可通過(guò)其I2C接口連接非慣性的數(shù)字傳感器。MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測(cè)量范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計(jì)可測(cè)量范圍為±2，±4，±8，±16g，MPU6050運(yùn)動(dòng)傳感器電路如圖2所示。MPU-6050運(yùn)動(dòng)傳感器外部擴(kuò)展一個(gè)三維的HMC5883電子羅盤(pán)，構(gòu)成一個(gè)9軸運(yùn)動(dòng)傳感器。HMC5883是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤(pán)和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域。HMC5883L包括最先進(jìn)的高分辨率 HMC118X 系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專(zhuān)利的集成電路包括放大 器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤(pán)精度控制在1°~2°的12位AD轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)易的I2C系列總線接口。HMC5883電子羅盤(pán)電路如圖3所示。

1.3NRF24L01無(wú)線收發(fā)電路

NRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款無(wú)線通訊芯片，采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成 NORDIC自己的 Enhanced Short Burst協(xié)議。該模塊既可以作為發(fā)送數(shù)據(jù)又可以作為接收數(shù)據(jù)，作為接收數(shù)據(jù)時(shí)，可以分為6個(gè)接收通道，通過(guò)寫(xiě)不同的命令可以分別接收任意通道數(shù)據(jù)。還有兩種工作模式，一種是增強(qiáng)型 ShockBurst TM，另一種是ShockBurst TM 模式。NRF24L01支持SPI通信操作，NRF24L01無(wú)線收發(fā)電路如圖4所示。

1.4上位機(jī)串口電路

串口電路采用的是CH340的USB總線轉(zhuǎn)接芯片，它能實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口、USB轉(zhuǎn)IrDA紅外或者USB轉(zhuǎn)打印口。 在串口方式下，CH340提供常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號(hào)，用于為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級(jí)到USB總線。本電路采用CH340G作為單片機(jī)的RS232串口通信，該電路外圍電路簡(jiǎn)單，供電電壓3.3V-5V，單片機(jī)供電電源使用的是USB供電，以及程序下載也可以使用串口下載。USB串口電路如圖5所示。該芯片支持RS232通信，在本電路中芯片的3、4引腳是是連接單片機(jī)的串口，5、6引腳連接是電腦的USB串口。

圖4　NRF24L01無(wú)線收發(fā)電路

圖5　上位機(jī)串口電路

2　軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件部分分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。下位機(jī)程序流程主要包含單片機(jī)功能模式配置、運(yùn)動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的處理、無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示；上位機(jī)程序流程主要包括MATLAB的GUI串口界面設(shè)計(jì)、串口通信、數(shù)據(jù)處理、圖像繪制。下位機(jī)初始化程序主要包括各模塊的初始化，單片機(jī)初始化I/O口初始化、中斷初始化、內(nèi)部硬件SPI和IIC通訊初始化、FSMC初始化等；上位機(jī)初始化程序包括MATLAB串口的窗口界面初始化和串口通信初始化。

3　總結(jié)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該無(wú)線軌跡測(cè)量?jī)x能還原物體運(yùn)動(dòng)軌跡，并可觀察到物體每時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。將運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量的理論更多與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，如人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量，三維無(wú)線鼠標(biāo)、振動(dòng)檢測(cè)、彈道檢測(cè)、步態(tài)識(shí)別等。由于測(cè)量精度往往與成本成反比，而實(shí)際應(yīng)用中對(duì)精度和成本的要求不盡不同，可以充分的挖掘其中蘊(yùn)藏的實(shí)際價(jià)值。

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the Design of Object Trajectory Measuring Instrument Based on Wireless Communication

Tang Feng1,Yang Lirong2, Gao wang1
(1.Department of Physics and Electronics Information Science,Hengyang Normal University School of Nanyue,Hengyang Hunan,421008,China;2.Institute of Physics and Electronic Engineering,Hengyang Normal University,Hengyang Hunan,421008,China)

The trajectory measuring instrument in walking distance estimation,navigation systems, humancomputer interaction and other fields has wide applications.This paper with STM32F103 microcontroller, wireless NRF24L01 wireless communication module,the MPU - 6050 motion sensors,HMC5883 electronic compass and TFTLCD LCD modules,designs a kind of instrument which has the function of wireless measurement object vtrajectory.The measuring instrument by motion sensors and electronic compass for the acceleration of the object,the deflection Angle information,transfer data through wireless module,then to amend the data ,using the appropriate data fusion algorithm and euler angles method to describe the object coordinate system relative to the geographical coordinate system angular position in the relationship,The instrument can accurately calculate the object speed and displacement and,the state of objects in the liquid crystal display (LCD)that can be observed each time.After the data of motion state are sent to the PC in the serial port, the object trajectory graphics are depicted with the MATLAB simulation software.

Gyroscope;Acceleration sensor;Electronic compass;Wireless trajectory measuring instrument

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目NYD201502衡陽(yáng)市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目2014KG83湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目cx1508衡陽(yáng)師范學(xué)院省級(jí)平臺(tái)開(kāi)放基金項(xiàng)目GD14K17

楊利容（1974-），女，湖南常德人，衡陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，講師，碩士，主要從事網(wǎng)絡(luò)濾波器理論與應(yīng)用研究