CN106323279A - 运动物体无线姿态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种运动物体无线姿态监测系统，包括电源模块、惯性传感器模块、单片机模块、无线通信模块、远程显示模块。惯性传感器模块的信号输出端与单片机模块相连，单片机模块将处理所得的数据通过无线通信模块输出至远程显示模块，使系统的姿态角度信息直接显示在远程终端。可同时显示系统的横滚角、俯仰角、偏航角，使用户能实时监测系统的运动情况，调整运行方案。本发明可以用于系统倾角的远程无线动态监测，具有连续监测、快速数据采集、实时显示、精度较高等优点。

Description

运动物体无线姿态监测系统

技术领域

本发明涉及传感器数据融合领域，具体地，涉及运动物体无线姿态监测系统。

背景技术

加速度计用于测量系统的加速度并具有较高的准确性和较快的响应速度，陀螺仪测量运动物体的角速率，但存在一定的零点漂移，在进行角度积分时容易造成较大的误差积累，而利用以卡尔曼滤波算法为核心的传感器信息融合技术可以对两种传感器的输出进行互补运算。这不仅利用了两个传感器相互协同操作的优势，而且也综合处理了信息源的数据来提高整个传感器系统的智能化，提高测量精度。在这个过程中，卡尔曼滤波算法能有效克服数据处理的误差和不稳定性对信息融合过程产生的影响。综合两种传感器的优势，实现在动态、静态时都能准确地测量物体姿态角的传感器。目前，国内对于传感器数据融合的研究较多，但都尚未形成系统。西南大学的冯智勇等在《西南师范大学学报(自然科学版)》，2011(4)：137-141中研究了一种四旋翼飞行器的姿态信息测量系统，利用卡尔曼滤波法对加速度计与陀螺仪的输出进行了融合，获取了飞行器的姿态信息，但精度较低，且应用范围较窄。复旦大学的苏菲等在《太赫兹科学与电子信息学报》，2014(2)：183-189中研究了用于船帆姿态信息测量的惯性传感系统，通过采用改进后的加权卡尔曼滤波算法进行传感器数据融合，获取了船帆的运动姿态信息，且精度达到了1°，但该系统无法进行远程监控。南京航空航天大学的余彦霖在《电子测量技术》，2015(05)：106-110中进行了基于卡尔曼滤波的无人直升机姿态信息测量，采用自适应的卡尔曼滤波方法，得到了稳定可靠的姿态信息，精度为2.5°以内，达到了小成本的无人直升机应用要求。

本发明设计研制了一整套的运动物体姿态监测系统，通过研究改进的卡尔曼滤波算法用于对加速度计与陀螺仪的数据融合，获取的系统姿态信息精度高，可达到俯仰角、横滚角0.5°，偏航角1°，提高了运动物体姿态信息的动态精度，再通过无线传输方式将系统的姿态数据远程传输至显示设备，就可以实现对运动物体运动姿态的远程实时监测，摆脱了电缆线的束缚，使产品的应用领域更加广泛。本系统在工程机械、智能电网、现代化港口、航海测量、旋翼直升机、农业机械、机器人控制等领域具有很大的实用价值。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种运动物体无线姿态监测系统。本发明的目的在于利用传感器数据融合技术的容错性、互补性、实时性、经济性等优势，设计基于该技术的运动物体无线姿态监测系统。本发明设计了完整的应用框架，涉及电源模块、惯性传感器模块、单片机模块、无线通信模块以及远程显示模块五个部分。

根据本发明提供的一种运动物体无线姿态监测系统，包括电源模块、惯性传感器模块、单片机模块、无线通信模块、远程显示模块；

所述电源模块，是用于提供电能给惯性传感器模块、单片机模块、无线通信模块的直流电源；

所述惯性传感器模块，用于根据单片机模块发出的测量命令，测量加速度、角速率及地磁量作为采集数据；

所述单片机模块，用于测量初始化、发出测量命令、保存和读取采集数据、对采集数据进行数据融合得到姿态信息；

所述无线通信模块，用于同远程显示模块进行远程通信，实时输出姿态信息；

所述远程显示模块，用于实时显示姿态信息。

优选地，所述惯性传感器模块包括：

三轴加速度计模块，用于测量各向加速度；

三轴陀螺仪模块，用于测量各向角速率；

三轴磁感应模块，用于测量各向地磁量。

优选地，所述单片机模块包括：

参数初始化模块，用于初始化串口输入控制字，设置采集速度；

数据保存和读取模块，用于读取与保存惯性传感器模块传输来的加速度、角速率及地磁量；

数据融合模块，用于将数据保存和读取模块读取和保存的加速度、角速率及地磁量进行数据融合，得到姿态信息；

启动停止模块，用于控制测量的启动和停止。

优选地，数据融合模块利用改进卡尔曼滤波算法进行数据融合。

优选地，所述电源模块包括两级三路电源；

两级三路电源的第一级电路采用DC-DC变换器；

两级三路电源的第二级电路分为三路输出，其中，三路输出中的两路输出采用低压差稳压器给所述单片机模块及所述无线通信模块供电，三路输出中的另外一路输出采用电压基准源为所述惯性传感器模块供电，其中，所述惯性传感器模块向所述单片机模块传输采集数据。

优选地，所述姿态信息包括俯仰角、横滚角、偏航角。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明设计了完整的运动物体无线姿态监测系统，从电源模块到单片机模块均为独立设计，实现了传感器数据融合技术在运动物体无线姿态检测领域的实际应用；

2、本发明的电源模块包括两级三路电源，第一级电路采用DC-DC变换器，转换效率可达90％，提高了电源的利用率；第二级电路分为三路输出，其中两路输出采用低压差稳压器给处理器及无线发射电路供电，另外一路采用电压基准源为传感器及ADC转换供电，确保了系统电源的稳定性和可靠性，而且确保了每个模块的正常工作而不相互影响；

3、本发明通过传感器数据融合技术，对加速度计输出数据与陀螺仪输出数据进行了卡尔曼滤波算法或改进卡尔曼滤波算法融合，大大提高了运动物体姿态信息测量的动态精度，可达到俯仰精度0.5°、横滚精度0.5°、偏航精度1°，较同类产品动态精度更高，同时具有实时性、经济性等优势；

4、本发明通过无线通信模块，实现了单片机模块与远程显示设备的无线连接，实现了远程监测，使使用者能够快速获取运动物体的姿态信息从而进行后续的远程控制，监测快速、方便、可靠。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明传感器数据融合技术的运动物体无线姿态系统的系统框图；

图2为本发明传感器数据融合技术的运动物体无线姿态系统的惯性传感器模块框图；

图3为本发明传感器数据融合技术的运动物体无线姿态系统的单片机模块框图。

图中：

1、电源模块；2、惯性传感器模块；3、单片机模块；4、无线通信模块；5、远程显示模块；

201、三轴加速度计模块；202、三轴陀螺仪模块；203、三轴磁感应模块；

301、参数初始化模块；302、数据保存与读取模块；303、数据融合模块；304、启动停止模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明涉及一种传感器数据融合的运动物体无线姿态监测系统，该系统可以用于系统倾角的远程无线动态监测。所述系统主要包括五个部分：电源模块、惯性传感器模块、单片机模块、无线通信模块和远程显示模块。所述惯性传感器模块的信号输出端与单片机模块相连，单片机模块将处理所得的数据通过无线通信模块输出至远程显示模块，使系统的姿态角度信息直接显示在远程终端。可同时显示系统的横滚角、俯仰角、偏航角，使用户能实时监测系统的运动情况，调整运行方案。本发明设计实现了基于加速度计与陀螺仪数据融合技术的运动物体无线姿态监测系统。具有连续监测、快速数据采集、实时显示、精度较高等优点。

根据本发明提供的一种运动物体无线姿态监测系统，包括电源模块、惯性传感器模块、单片机模块、无线通信模块、远程显示模块；所述电源模块，是用于提供电能给惯性传感器模块、单片机模块、无线通信模块的直流电源；所述惯性传感器模块，用于根据单片机模块发出的测量命令，测量加速度、角速率及地磁量作为采集数据；惯性传感器的型号可以是LSM9DS0；所述单片机模块，用于测量初始化、发出测量命令、保存和读取采集数据、对采集数据进行数据融合得到姿态信息；单片机模块的型号可以为STM32F302RC；所述无线通信模块，用于同远程显示模块进行远程通信，实时输出姿态信息，包括蓝牙、Zigbee或wifi；所述远程显示模块，用于实时显示姿态信息。

所述惯性传感器模块包括：

三轴加速度计模块，用于测量各向加速度；

三轴陀螺仪模块，用于测量各向角速率；

三轴磁感应模块，用于测量各向地磁量。

所述单片机模块包括：

参数初始化模块，用于初始化串口输入控制字，设置采集速度；

数据保存和读取模块，用于读取与保存惯性传感器模块传输来的加速度、角速率及地磁量；

数据融合模块，用于将数据保存和读取模块读取和保存的加速度、角速率及地磁量进行数据融合，得到姿态信息；

启动停止模块，用于控制测量的启动和停止。

数据融合模块利用改进卡尔曼滤波算法进行数据融合；所述姿态信息包括俯仰角、横滚角、偏航角。

所述电源模块包括两级三路电源；两级三路电源的第一级电路采用DC-DC变换器；两级三路电源的第二级电路分为三路输出，其中，三路输出中的两路输出采用低压差稳压器给所述单片机模块及所述无线通信模块供电，三路输出中的另外一路输出采用电压基准源为所述惯性传感器模块供电，其中，所述惯性传感器模块向所述单片机模块传输采集数据。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种运动物体无线姿态监测系统，其特征在于，包括电源模块、惯性传感器模块、单片机模块、无线通信模块、远程显示模块；

所述电源模块，是用于提供电能给惯性传感器模块、单片机模块、无线通信模块的直流电源；

所述惯性传感器模块，用于根据单片机模块发出的测量命令，测量加速度、角速率及地磁量作为采集数据；

所述单片机模块，用于测量初始化、发出测量命令、保存和读取采集数据、对采集数据进行数据融合得到姿态信息；

所述无线通信模块，用于同远程显示模块进行远程通信，实时输出姿态信息；

所述远程显示模块，用于实时显示姿态信息。

2.根据权利要求1所述的运动物体无线姿态监测系统，其特征在于，所述惯性传感器模块包括：

三轴加速度计模块，用于测量各向加速度；

三轴陀螺仪模块，用于测量各向角速率；

三轴磁感应模块，用于测量各向地磁量。

3.根据权利要求1所述的运动物体无线姿态监测系统，其特征在于，所述单片机模块包括：

参数初始化模块，用于初始化串口输入控制字，设置采集速度；

数据保存和读取模块，用于读取与保存惯性传感器模块传输来的加速度、角速率及地磁量；

数据融合模块，用于将数据保存和读取模块读取和保存的加速度、角速率及地磁量进行数据融合，得到姿态信息；

启动停止模块，用于控制测量的启动和停止。

4.根据权利要求3所述的运动物体无线姿态监测系统，其特征在于，数据融合模块利用改进卡尔曼滤波算法进行数据融合。

5.根据权利要求1所述的运动物体无线姿态监测系统，其特征在于，所述电源模块包括两级三路电源；

两级三路电源的第一级电路采用DC-DC变换器；

两级三路电源的第二级电路分为三路输出，其中，三路输出中的两路输出采用低压差稳压器给所述单片机模块及所述无线通信模块供电，三路输出中的另外一路输出采用电压基准源为所述惯性传感器模块供电，其中，所述惯性传感器模块向所述单片机模块传输采集数据。

6.根据权利要求1所述的运动物体无线姿态监测系统，其特征在于，所述姿态信息包括俯仰角、横滚角、偏航角。