微慣導(dǎo)型動(dòng)捕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初探

邵恒

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300222）

引言

動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是捕捉物體運(yùn)動(dòng)軌跡的系統(tǒng)。其在動(dòng)畫行業(yè)的應(yīng)用尤為廣泛，但目前主流的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)在應(yīng)用的環(huán)境上受到了一定程度的約束，即捕捉物體運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)必須在設(shè)定的場地內(nèi)、環(huán)境下。那怎樣才能夠打破這種限制呢？通過大量的市場調(diào)查、研究，發(fā)現(xiàn)電子元件的發(fā)展，打破這種限制的可能，使用微慣導(dǎo)元件來替代原有的高速攝像機(jī)捕捉圖像方式。

微型捷聯(lián)慣導(dǎo)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)（Micro Inertia Measurement Unit，MIMU）是由微型慣性測量傳感器（主要是微型陀螺儀和微型加速度計(jì)）、專用集成電路（ASIC）、嵌入式微型計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制軟件組成。可以提供運(yùn)動(dòng)物體的位置、速度和姿態(tài)信息。該系統(tǒng)體積小、重量輕，可以直接固定在運(yùn)動(dòng)的物體上，并且成本低，便于安裝、維護(hù)和更換。

1 微慣導(dǎo)型動(dòng)捕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思想

利用微型慣性導(dǎo)航技術(shù)，完成物體空間信息的捕捉，如物體的空間位置、姿態(tài)等信息。通過連續(xù)記錄傳感器捕捉的信息，并經(jīng)過電路濾波、一定的優(yōu)化算法和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算等步驟，實(shí)現(xiàn)捕捉物體運(yùn)動(dòng)軌跡的功能。依據(jù)人體或動(dòng)物的的生理特征，在每個(gè)關(guān)節(jié)敷上捕捉傳感器，再把每個(gè)傳感器所捕捉到的運(yùn)動(dòng)軌跡按照正向動(dòng)力系統(tǒng)和反向動(dòng)力系統(tǒng)的算法組合起來，從而達(dá)到人體或動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分。硬件主要由傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換、電源部分、數(shù)據(jù)無線發(fā)送電路和微處理器組成；軟件部分由下位機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、發(fā)送系統(tǒng)和上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后對(duì)物體運(yùn)動(dòng)軌跡的分析處理系統(tǒng)組成。

硬件直接與捕捉物體相連，其功能是能夠與物體同步運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)時(shí)記錄物體的空間坐標(biāo)和姿態(tài)信息。硬件部分的傳感器由 4個(gè)三軸加速度計(jì)和一個(gè)三軸磁力計(jì)構(gòu)成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)捕捉物體的空間坐標(biāo)和初始化物體的空間狀態(tài)；放大電路負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)的放大，增強(qiáng)信號(hào)的可信度，降低其他信號(hào)的干擾；A/D轉(zhuǎn)換負(fù)責(zé)把加速度計(jì)和磁力計(jì)捕捉的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)的計(jì)算；電源部分主要是為電話提供穩(wěn)定可靠的電源；數(shù)據(jù)無線發(fā)送模塊負(fù)責(zé)把捕捉并轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)可靠及時(shí)的輸出；微型處理器負(fù)責(zé)管理、組織各個(gè)硬件協(xié)調(diào)的工作。硬件的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

軟件系統(tǒng)作用

軟件系統(tǒng)的功能是對(duì)硬件系統(tǒng)的數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行處理、管理與傳遞。其一，軟件系統(tǒng)要支持現(xiàn)有三維制作軟件的數(shù)據(jù)；其二，能夠管理系統(tǒng)硬件設(shè)備，其主要對(duì)安裝硬件時(shí)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行校正，對(duì)硬件本身的特性進(jìn)行檢測；其三，要進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)檢測，當(dāng)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)溢出或有錯(cuò)誤信息時(shí)，避免死機(jī)狀態(tài)；其四，能夠支持系統(tǒng)各接口的通訊；其五，支持對(duì)慣性測量組件（IMU）輸出信息的實(shí)時(shí)采集。上位機(jī)的數(shù)據(jù)分析處理軟件如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)構(gòu)架

圖2 上位機(jī)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)界面

2 微慣導(dǎo)型動(dòng)捕系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)策略

2.1 開發(fā)工具

在研制動(dòng)捕設(shè)備時(shí)需要的工具為：校準(zhǔn)設(shè)備、示波器、電焊爐、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換卡、數(shù)字量采集卡和Visual C++軟件開發(fā)工具。

校準(zhǔn)設(shè)備是對(duì)做好的產(chǎn)品和傳感器進(jìn)行精度檢測，是獲得經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要設(shè)備之一。如物體精確的運(yùn)行速度和距離先設(shè)置好，然后再檢驗(yàn)傳感器的準(zhǔn)確性和捕捉數(shù)據(jù)的算法合理性。

示波器是檢測硬件電路是否正常工作和硬件設(shè)備的特性，通過電壓、電流和頻率等波形說明電路的工作狀態(tài)。

電焊爐主要負(fù)責(zé)焊接細(xì)小管腳傳感器。磁力計(jì)和加速度計(jì)的管腳特別細(xì)小，用普通的電烙鐵根本無法焊接，為了保證焊接的可靠性和成功率，使用電焊爐焊接是必不可少的。

A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和數(shù)字量采集卡是制作電路初期分析數(shù)據(jù)使用的轉(zhuǎn)接卡，其插在計(jì)算機(jī)中，把外部傳感器捕獲的數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到計(jì)算中，用相應(yīng)的算法可以直接的觀察，減少了代碼寫入到ROM中次數(shù)，提高了工作效率。

MatLab 是電路測試的仿真軟件，運(yùn)用該軟件完成電路的預(yù)期設(shè)計(jì)。

Visual C++是編寫程序并測試環(huán)境的主要軟件。

2.2 核心技術(shù)

元件的安裝布局；

為了能夠縮小傳感器整體的體積，更加合理的分布傳感器位置，因此利用中心掏空的正方體作為電路的支架，如圖3所示。在正方體內(nèi)部放置一個(gè)三軸磁力計(jì)、一個(gè)三軸加速度計(jì)以及微處理器、A/D轉(zhuǎn)換電路和電源；在正方體外部的三面分別放置三個(gè)三軸加速度計(jì)，這樣符合了坐標(biāo)空間關(guān)系，如圖4所示的坐標(biāo)空間關(guān)系。在放置的時(shí)候，為了能夠提高傳感器位置的相對(duì)精度，支架采用硬的塑料，并采用數(shù)控銑床，銑出所需空間，固定傳感器的位置。

圖3 傳感器電路支架

圖4 坐標(biāo)空間關(guān)系

監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)

具體做法為：首先把電路板放在自制的校準(zhǔn)平臺(tái)上，信號(hào)通過A/D接口卡送到計(jì)算機(jī)，最后通過測試程序進(jìn)行檢測。檢測的核心技術(shù)是數(shù)學(xué)模型的建立，以檢測磁傳感器安裝后是否與地面水平，并對(duì)安裝后為例進(jìn)行說明。

A、理論上磁傳感器與地面水平時(shí)

俯仰角

偏航角（其中為傳感器坐標(biāo)系Y

軸正向與磁場水平分量之間的夾角，即Y軸正向與磁北之間的夾角；為當(dāng)?shù)氐拇牌牵?/p>

X、Y是磁傳感器探測到地磁場H在X軸和Y軸兩個(gè)互相垂直方向的分量。

B、磁傳感器與地面不水平時(shí)，X和Y需要做相應(yīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，使之與地面水平

方位角計(jì)算與理論一樣。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)無法保證磁傳感器放置的絕對(duì)水平，因此利用第二種方法進(jìn)行計(jì)算。通過上述介紹的磁力計(jì)校正方法，把這些公式用C語言進(jìn)行描述，測試初始位置，成功后最后寫入到ROM中，這樣每次的應(yīng)用都會(huì)有這樣的初始校正。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)盡管做了一些初步工作和設(shè)計(jì)，取得了一些研究成果，但還需要對(duì)一些細(xì)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)和完善，就目前分析到最主要的有兩點(diǎn)，如下：

（1）加速度傳感器量程范圍和精度的平衡

由于受到電子元件發(fā)展的限制，目前三軸加速度計(jì)的量程有3g和10g沖量的。采用3g沖量的加速度計(jì)精度上比10g的要好，能夠捕捉到更加細(xì)微的變化，而10g量程的能夠測量更大范圍的沖量，而當(dāng)捕捉物體運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，尤其人的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，其速度的變化時(shí)隨機(jī)的，有時(shí)候會(huì)非常大，超出了3g的測量范圍，而有時(shí)候又非常細(xì)微，用大量程的加速度計(jì)測量不到細(xì)微的變化，顯然這是一對(duì)矛盾體。那么如何解決這樣的問題？初步想法是裝兩種量程的加速度計(jì)，當(dāng)小于3g時(shí)用小量程的，大于3g時(shí)用大量程。但是，這樣做會(huì)給微處理器的計(jì)算帶來更大的工作，因此需要進(jìn)一步的考慮與平衡。

（2）無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差的規(guī)避

無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差，從誤差性質(zhì)上劃分，可以分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。在慣性技術(shù)中通常將慣性敏感元件的誤差模型分為靜態(tài)誤差模型、動(dòng)態(tài)誤差模型和隨機(jī)誤差模型三類。誤差補(bǔ)償方法：由于加速度計(jì)的靜態(tài)誤差模型和動(dòng)態(tài)誤差模型可以用代數(shù)方程表示。當(dāng)誤差模型建立以后，這部分誤差就已經(jīng)成為規(guī)律性的誤差，就可以在計(jì)算機(jī)中通過軟件進(jìn)行誤差補(bǔ)償；而隨機(jī)誤差模型是用統(tǒng)計(jì)規(guī)律來描述，其誤差要通過濾波的方法減少。

[1]王振華.慣導(dǎo)平臺(tái)穩(wěn)定回路的改進(jìn)設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱工程大學(xué), 2004.

[2]杜海龍.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)解算模塊的實(shí)現(xiàn)[J].光學(xué)精密工程, 2008,(10).

[3]趙國榮.卡爾曼濾波在無陀螺捷聯(lián)管道系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].航天控制,2009, (04).

[4]馬艷春.十二加速度計(jì)實(shí)用配置方案與解耦算法研究[J].傳感器與微系統(tǒng), 2008, (06).

[5]賀信.捷聯(lián)慣導(dǎo)的仿真及其組合導(dǎo)航的研究[D].華中科技大學(xué), 2007.