基于iNEMO模塊的姿態(tài)檢測(cè)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來(lái)，MEMS技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)人體姿態(tài)檢測(cè)和信息融合技術(shù)在人體醫(yī)學(xué)工程、健康監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域的研究也逐漸開(kāi)展起來(lái)。

目前人體姿態(tài)檢測(cè)的主要手段有圖像分析和加速度分析兩種，圖像分析的算法通過(guò)攝像捕捉人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，經(jīng)過(guò)一定的圖像處理技術(shù)確定人體的姿態(tài)，該方法需要在人體運(yùn)動(dòng)的區(qū)域安裝攝像頭，價(jià)格昂貴、具有一定的局限性;傳統(tǒng)的加速度算法采用SVM (Support Vector Machine) 算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后用KFD(Kernel Fisher Discriminant)算法和k-NN(Nearest Neighbour)算法進(jìn)行精確判定，該方法計(jì)算量大、編程復(fù)雜。

本系統(tǒng)提出的算法主要是在加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)采集人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息的基礎(chǔ)上，運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼濾波將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到人體腰部和腿部的角度信息，然后通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)建立與姿態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用這種方式可以利用加速度計(jì)與磁力計(jì)克服單獨(dú)采用陀螺儀引起的姿態(tài)角發(fā)散，另外利用陀螺儀可以克服由于振動(dòng)對(duì)于加速度計(jì)的影響與由于軟硬鐵磁對(duì)于磁力計(jì)的影響。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)分為上位機(jī)子系統(tǒng)和下位機(jī)子系統(tǒng)，下位機(jī)子系統(tǒng)由電源模塊、2個(gè)iNEMO模塊、GPRS模塊和主控板組成，其中電源模塊給整個(gè)系統(tǒng)提供3.3V和5V的工作電壓，兩個(gè)iNEMO模塊分別固定在人體的腰部和腿部，完成對(duì)加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀的信息采集，然后通過(guò)串口發(fā)送到主控板，主控板進(jìn)行卡爾曼濾波融合出腰部和腿部的角度，然后根據(jù)腰部和腿部的角度值完成姿態(tài)的檢測(cè)，最后GPRS模塊通過(guò)socket協(xié)議將姿態(tài)信息打包傳送到上位機(jī)，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2 數(shù)據(jù)融合原理

在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，求取姿態(tài)角的數(shù)學(xué)表達(dá)式叫做方向余弦矩陣，用于表示方向余弦矩陣有兩種方式：歐拉角與四元數(shù)。歐拉角的優(yōu)點(diǎn)是比較直觀，缺點(diǎn)是在俯仰角為正負(fù)90°時(shí)系統(tǒng)存在不穩(wěn)定奇點(diǎn)。四元數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)俯仰角為正負(fù)90°時(shí)系統(tǒng)不受影響，缺點(diǎn)是不直觀，下面是它們之間的相互轉(zhuǎn)換公式。

歐拉角轉(zhuǎn)換成四元數(shù)

四元數(shù)轉(zhuǎn)換成歐拉角

在程序中使用的是四元數(shù)，由于四元數(shù)不能直觀的表示輸出的角度，所以首先根據(jù)陀螺儀求取四元數(shù)，再將四元數(shù)轉(zhuǎn)換成姿態(tài)角。根據(jù)運(yùn)動(dòng)體安裝的三軸陀螺儀，可以得到在運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系下的三軸角速度( wx,wy,wz)，用三軸角速度更新四元數(shù)

然后利用加速度計(jì)的信息，采用卡爾曼濾波的方法來(lái)對(duì)四元數(shù)進(jìn)行修正，設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為

其中，X(k)是k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，U(k)是k時(shí)刻對(duì)系統(tǒng)的控制量。A和B是系統(tǒng)參數(shù)。Z(k)是k時(shí)刻的測(cè)量值，H是測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)。W(k)和V(k)分別表示過(guò)程和測(cè)量的噪聲。

為了提高慣性導(dǎo)航儀的啟動(dòng)速度，需要利用歐拉角求取初始的四元數(shù)，首先根據(jù)運(yùn)動(dòng)體上三軸加速度計(jì)輸出的三軸加速度( fx,fy,fz)，求取俯仰角θ與橫滾角φ

隨后讀取磁力計(jì)輸出的三軸磁場(chǎng)強(qiáng)度

，然后用加速度計(jì)對(duì)磁力計(jì)進(jìn)行傾斜補(bǔ)償

根據(jù)傾斜補(bǔ)償后的磁力計(jì)輸出，可以求得偏航角為

利用公式(3-5)和(3-7)可以完成對(duì)四元數(shù)的初始化工作。