基于無線通訊的物體運動軌跡測量儀的設計

唐 峰,楊利容,高　旺

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

基于無線通訊的物體運動軌跡測量儀的設計

唐 峰1,楊利容2,高旺1

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

運動軌跡檢測儀在行走距離估計、導航系統、人機交互等領域具有廣泛的應用。該論文以STM32F103單片機、NRF24L01無線通訊模塊、MPU-6050運動傳感器、HMC5883電子羅盤、TFTLCD液晶屏等模塊，設計一種可無線測量物體運動軌跡的儀器。通過運動傳感器采集的加速度和偏轉角度α，以及電子羅盤采集的偏轉角度θ，利用無線模塊傳遞采集數據，然后將數據進行角度修正，采用適當的數據融合算法，歐拉角法描述物體坐標系相對于地理坐標系的空間角位置關系，能精準計算物體每一時刻的速度和位移，然后通過液晶顯示，可觀察到物體每一時刻的運動狀態。將獲取的運動狀態數據通過串口發送至PC機，用Matlab仿真軟件獲取物體的運動軌跡圖形。

陀螺儀；加速度傳感器；電子羅盤；無線軌跡測量儀

0　引言

對運動軌跡測量系統來說，采用外部檢測的方法精度很高，但是成本也相對較高，而且通常受制于外部條件，如GPS不能在室內使用，圖像視覺技術需要良好的拍攝角度、充足的光線等。本文研究的無線物體運動軌跡測量系統與外部觀測系統相比，本文具有不依賴于各種外部檢測系統，也不受任何外部條件的影響。采集數據較為簡單，不需要用戶參與，也不需要任何其他設備配合，具有完全的自主性。且成本廉價，體積小巧，可以集成到手機、平板電腦等小型設備中，對于普通用戶來說非常方便。本軌跡測量系統在計算機科學領域有著廣泛的應用，3D游戲手柄、空中手寫筆、三維無線鼠標、導航系統、運動軌跡測量、振動檢測、彈道檢測、步態識別、手勢識別等。

1　硬件電路設計

軌跡測量儀分下位機和上位機兩部分，硬件結構如圖1所示，下位機主要包括單片機、運動傳感器、電子羅盤、無線收發、液晶顯示、存儲單元；上位機為PC機。運動傳感器包括陀螺儀和加速度傳感器，分別對物體運動過程中產生的角速度信號和加速度信號采集；電子羅盤負責角度采集，對物體定位航行方向；運動傳感器和電子羅盤將獲取的信號傳送給單片機并經無線發送模塊發送；無線接收模塊接收到信號后傳送至主控單片機，并將數據存儲于存儲單元，單片機獲取信息后由軟件實現數據的處理和圖像軌跡的繪制并將其傳送給PC機。

圖1　整體結構框圖

圖2　運動傳感器電路

圖3　電子羅盤電路

1.1單片機控制電路

采用STM32系列單片機作為系統的主控制器，STM32具有高速、低功耗、超強抗干擾優點，內部主系統時鐘72MHz，相比其他單片機處理數據要快很多。由于STM32內部集成很多硬件功能，例如本系統將會用到STM32內部SPI和IIC硬件接口以及FSMC靜態存儲器功能，因此可以加快數據通信速度，還可以省去很多外圍硬件電路，使得電路簡單易行。

1.2傳感器模塊

MPU6050是全國首列9軸運動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以一個可擴展的數字運動處理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C連接一個第三方向的數字傳感器。擴展后可以通過其I2C或SPI接口輸出9軸信號。MPU6050也可通過其I2C接口連接非慣性的數字傳感器。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別用三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測量范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計可測量范圍為±2，±4，±8，±16g，MPU6050運動傳感器電路如圖2所示。MPU-6050運動傳感器外部擴展一個三維的HMC5883電子羅盤，構成一個9軸運動傳感器。HMC5883是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數字接口的弱磁傳感器芯片，應用于低成本羅盤和磁場檢測領域。HMC5883L包括最先進的高分辨率 HMC118X 系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大 器、自動消磁驅動器、偏差校準、能使羅盤精度控制在1°~2°的12位AD轉換器，簡易的I2C系列總線接口。HMC5883電子羅盤電路如圖3所示。

1.3NRF24L01無線收發電路

NRF24L01是NORDIC公司生產的一款無線通訊芯片，采用FSK調制，內部集成 NORDIC自己的 Enhanced Short Burst協議。該模塊既可以作為發送數據又可以作為接收數據，作為接收數據時，可以分為6個接收通道，通過寫不同的命令可以分別接收任意通道數據。還有兩種工作模式，一種是增強型 ShockBurst TM，另一種是ShockBurst TM 模式。NRF24L01支持SPI通信操作，NRF24L01無線收發電路如圖4所示。

1.4上位機串口電路

串口電路采用的是CH340的USB總線轉接芯片，它能實現USB轉串口、USB轉IrDA紅外或者USB轉打印口。 在串口方式下，CH340提供常用的MODEM聯絡信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設備直接升級到USB總線。本電路采用CH340G作為單片機的RS232串口通信，該電路外圍電路簡單，供電電壓3.3V-5V，單片機供電電源使用的是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的串口，5、6引腳連接是電腦的USB串口。

圖4　NRF24L01無線收發電路

圖5　上位機串口電路

2　軟件設計

整個系統軟件部分分為下位機和上位機兩部分。下位機程序流程主要包含單片機功能模式配置、運動傳感器的數據采集、數據的處理、無線傳輸、數據存儲、液晶顯示；上位機程序流程主要包括MATLAB的GUI串口界面設計、串口通信、數據處理、圖像繪制。下位機初始化程序主要包括各模塊的初始化，單片機初始化I/O口初始化、中斷初始化、內部硬件SPI和IIC通訊初始化、FSMC初始化等；上位機初始化程序包括MATLAB串口的窗口界面初始化和串口通信初始化。

3　總結

通過實驗驗證，該無線軌跡測量儀能還原物體運動軌跡，并可觀察到物體每時刻的運動狀態。將運動軌跡測量的理論更多與實際應用結合，如人體運動測量，三維無線鼠標、振動檢測、彈道檢測、步態識別等。由于測量精度往往與成本成反比，而實際應用中對精度和成本的要求不盡不同，可以充分的挖掘其中蘊藏的實際價值。

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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

湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目NYD201502衡陽市科技局科技計劃項目2014KG83湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目cx1508衡陽師范學院省級平臺開放基金項目GD14K17

楊利容（1974-），女，湖南常德人，衡陽師范學院物理與電子工程學院，講師，碩士，主要從事網絡濾波器理論與應用研究