代龍

（北方民族大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)，銀川 750000）

0 引言

傳統(tǒng)的對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確定的方法依賴(lài)單一的數(shù)據(jù)，而在復(fù)雜情況下，如在可接受衛(wèi)星數(shù)較少或外界氣象條件不允許時(shí)，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的衛(wèi)星數(shù)據(jù)或氣壓數(shù)據(jù)，同時(shí)由于衛(wèi)星定位原理所致我們只能二維平面速率，當(dāng)我們?cè)谌S空間運(yùn)動(dòng)時(shí)只能通過(guò)數(shù)學(xué)推算出速率。

因此，針對(duì)這些弊端，筆者設(shè)計(jì)出了一套由氣壓傳感器、溫度傳感器、雙模定位模塊及陀螺儀構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知系統(tǒng)。氣壓傳感器推算出的高度與定位模塊的得到的高度相互驗(yàn)證后得到修正后的高度，陀螺儀加速度計(jì)與定位模塊的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波、相互驗(yàn)證獲得修正后的速率、方向，實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)融合，從而獲得相對(duì)準(zhǔn)確的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

以恩智浦MK60 作為MCU，使用BMP180 氣壓溫度一體式傳感器模塊測(cè)定溫度及氣壓，MPU6050 采集加速度值和歐拉角。溫度、壓力、加速度及歐拉角均通過(guò)I2C 總線傳輸給MCU 進(jìn)行分析，最后將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI 接口顯示到LCD 上并存入Flash。同時(shí)可以通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至PC 控制臺(tái)的上位機(jī)軟件，以便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。詳見(jiàn)圖1。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

選用恩智浦公司推出的的MK60，選擇理由如下：

（1）MK60 是基于 ARM 公司的 Cortex-M4 內(nèi)核設(shè)計(jì)的芯片，此內(nèi)核是由ARM 公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的32 位處理器，具有強(qiáng)大的模擬數(shù)字計(jì)算能力。

（2）具備多種低功耗運(yùn)行模式，允許外設(shè)在CPU處于休眠的情況下正常運(yùn)行，從而降低功耗。

（3）各種通信協(xié)議（包括 I2C、SPI、藍(lán)牙等）被集成在芯片內(nèi)部。

基于以上這三點(diǎn)，此芯片能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

2.2 數(shù)據(jù)采集傳感器

（1）溫度及氣壓傳感器采用博世公司的BMP280一體式傳感器，它將溫度傳感器、氣壓傳感器集成在一起，整體僅僅需要一個(gè)供電接口，一根信號(hào)線（采用I2C通訊），相對(duì)于分體式傳感器具有功耗低、維護(hù)調(diào)試方便等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)分辨率最高達(dá)1.7cm，可以自動(dòng)補(bǔ)償溫度偏差，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

圖2

（2）陀螺儀加速度計(jì)采用InvenSense 公司推出的MPU6050，此傳感器具有精度高（加速度最高達(dá)16384LSB/g，角度最高達(dá) 0.1°），功耗低的特點(diǎn)，DMP（數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器）集成在里面，融合了各種姿勢(shì)，MCU 能夠直接通過(guò)I2C 讀取輸出結(jié)果，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

圖3

（3）定位采用SkyTra 的s1216 模塊，此模塊能夠進(jìn)行雙模定位（北斗、GPS），帶有有源天線，具有追蹤靈敏度高（最高達(dá)-165dBm）、定位精度高（最高達(dá)2.5CEP）、冷啟動(dòng)時(shí)間短（30s 左右）、更新速率快（最快達(dá)20KHz）的特點(diǎn)，能夠通過(guò)UART 串口與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，故能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

圖4

2.3 藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙方案采用HC-08 藍(lán)牙模塊，該模塊使用藍(lán)牙4.0 協(xié)議，一主一從配對(duì)通訊，與微控制器間采用串口通訊，有通訊距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)達(dá) 80m）、靈敏度高（-93dBm@1Mbps）連接穩(wěn)定、功耗低的特點(diǎn)。

圖5

2.4 LCD

采用1.8 寸TFT 液晶顯示屏，采用ST7735S 芯片驅(qū)動(dòng)能夠以SPI 通信協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)流程

圖6

微控制器負(fù)責(zé)控制傳感器及定位模塊采集數(shù)據(jù)并回傳，其中數(shù)據(jù)采集采用中斷方式進(jìn)行，如設(shè)定每30ms 進(jìn)行一次采集，將數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)分析計(jì)算系統(tǒng)，進(jìn)行分析計(jì)算，如果可靠，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入Flash 并傳輸?shù)絃CD 及藍(lán)牙，否則將數(shù)據(jù)再次分析計(jì)算，確定產(chǎn)生誤差的原因，同時(shí)再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行分析計(jì)算，得到的數(shù)據(jù)與上一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證、融合、取舍后將最終的數(shù)據(jù)輸出。

3.2 數(shù)據(jù)分析計(jì)算系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析計(jì)算系統(tǒng)主要先對(duì)定位模塊和陀螺儀加速度計(jì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、解算及多數(shù)據(jù)融合計(jì)算，其主要流程如圖7。

圖7

（1）濾波器：

①背景：

卡爾曼濾波器是一種狀態(tài)估計(jì)算法，其在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用，可以綜合利用不同傳感器回傳的數(shù)據(jù)，相對(duì)精確地推算出一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)值。由于物體具有慣性，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的各個(gè)分量之間都具有相關(guān)性，這就使得卡爾曼濾波可以利用狀態(tài)量和觀測(cè)量對(duì)定位目標(biāo)和相鄰時(shí)刻的位置狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)的估計(jì)，從而使濾波后的定位結(jié)果更加準(zhǔn)確，它有一個(gè)小的內(nèi)存優(yōu)勢(shì)（除了以前的狀態(tài)量，不需要保持其他歷史數(shù)據(jù)），而且速度非?？欤浅＿m合實(shí)時(shí)和嵌入式系統(tǒng)的問(wèn)題。

②工作原理：

簡(jiǎn)而言之，卡爾曼濾波器是能夠分析上一時(shí)刻的狀態(tài)，估算當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)，而后把當(dāng)前時(shí)刻的測(cè)量值與估算的狀態(tài)進(jìn)行分析并加權(quán)，加權(quán)后的結(jié)果作為當(dāng)前的實(shí)際工作狀態(tài)，而不是僅僅取決于當(dāng)前的測(cè)量值。

③簡(jiǎn)化后的算法流程：

a 設(shè)定參數(shù)。

b根據(jù)時(shí)間t（K-1）的狀態(tài)預(yù)測(cè)第t（K）時(shí)刻的狀態(tài) X（K|K-1）。

c根據(jù)時(shí)間t（K-1）的系統(tǒng)預(yù)測(cè)誤差來(lái)估計(jì)時(shí)間t（K）的系統(tǒng)預(yù)測(cè)誤差P（K|K-1）。

d 計(jì)算卡爾曼增益Kg。

e 計(jì)算系統(tǒng)的最加估計(jì)值X（K|K）。

f 計(jì)算系統(tǒng)目前的的系統(tǒng)預(yù)測(cè)誤差P（K|k）。

g 回到步驟b。

④實(shí)現(xiàn)代碼：

（2）姿態(tài)解算：

姿態(tài)解算包括了解算歐拉角、加速度及速度。對(duì)于速度我們知道加速度對(duì)時(shí)間的積分為速度，在這個(gè)系統(tǒng)中，我們把對(duì)加速度的采集放入中斷（此中斷級(jí)別應(yīng)為最高級(jí)以保證加速度的實(shí)時(shí)性）并把加速度放入數(shù)組，中斷時(shí)間設(shè)為1ms，六個(gè)中斷作為一個(gè)周期，一個(gè)周期后對(duì)六個(gè)加速度數(shù)據(jù)用逐差法處理后作為平均加速度再對(duì)一個(gè)周期的時(shí)間積分得到速度。

歐拉角、加速度測(cè)定的實(shí)現(xiàn)代碼可參考《基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字濾波器、傾角傳感器設(shè)計(jì)》這里不再贅述。

速度實(shí)現(xiàn)推算代碼：

（3）數(shù)據(jù)融合：

數(shù)據(jù)融合首先對(duì)濾波后的陀螺儀加速度計(jì)進(jìn)行融合，獲得相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)后與濾波后的定位模塊的數(shù)據(jù)氣壓計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證取舍。

①背景：

因?yàn)橥勇輧x受到偏置不穩(wěn)定性的影響，由于初始零個(gè)讀取裝置固有的缺陷和噪聲，隨著時(shí)間的推移陀螺儀漂移。我們可以在已知的溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)偏置不穩(wěn)定，但積分常數(shù)偏角會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的錯(cuò)誤。這種誤差隨著陀螺儀旋轉(zhuǎn)或角度估計(jì)的長(zhǎng)期漂移而積累。漂移航向計(jì)算錯(cuò)誤造成不良后果將會(huì)繼續(xù)增加，而不是減少。而加速度計(jì)則相反，其對(duì)振動(dòng)和其他非重力以及加速度變化敏感。因此，實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)通過(guò)它們?nèi)诤?，相輔相成。

對(duì)于零漂我們閾值限定的方法修正，溫漂采用程序進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄐＵ?，溫漂系?shù)通過(guò)建立溫漂補(bǔ)償模型測(cè)定（一般情況下，傳感器的溫漂系數(shù)會(huì)被廠商標(biāo)定，但由于各傳感器溫漂系數(shù)不同，而各傳感器在電路的組合導(dǎo)致溫漂系數(shù)改變，故無(wú)法直接使用給定溫漂系數(shù)。溫漂補(bǔ)償模型的建立可參考北微傳感器公司的文章——MEMS 陀螺儀如何進(jìn)行信號(hào)溫漂補(bǔ)償，溫度數(shù)據(jù)直接使用集成到BMP280 中的溫度傳感器的數(shù)據(jù)）。對(duì)于原始數(shù)據(jù)的不平滑我們?cè)谥耙呀?jīng)采用了卡爾曼濾波進(jìn)行校正。

②實(shí)現(xiàn)代碼：

可參考《一種基于六軸MEMS 器件的低成本動(dòng)態(tài)傾角傳感器設(shè)計(jì)》，這里不再贅述。

③數(shù)據(jù)驗(yàn)證與取舍：

由于在復(fù)雜情況下，如衛(wèi)星數(shù)較少、短時(shí)間內(nèi)氣壓變化劇烈時(shí)，數(shù)據(jù)可能存在問(wèn)題，不能反映真實(shí)情況，所以我們采取對(duì)各傳感器的數(shù)據(jù)驗(yàn)證、融合、取舍的策略，具體步驟見(jiàn)如圖8-圖9 的程序框圖。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)使用了定位模塊及多個(gè)傳感器對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)定，并利用了成熟的卡爾曼濾波、數(shù)據(jù)融合算法實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜情況下對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的精確測(cè)定，同時(shí)能夠通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)回傳便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)中與依靠單數(shù)據(jù)測(cè)定值進(jìn)行對(duì)比，精度有較大幅度的提高。

最后感謝國(guó)家、學(xué)校的經(jīng)費(fèi)支持，以及學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備資料的提供，為本項(xiàng)目的完成奠定了基礎(chǔ)。

圖8

圖9