CN107131865A - 角度检测装置 - Google Patents

角度检测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN107131865A
CN107131865A CN201710442474.5A CN201710442474A CN107131865A CN 107131865 A CN107131865 A CN 107131865A CN 201710442474 A CN201710442474 A CN 201710442474A CN 107131865 A CN107131865 A CN 107131865A
Authority
CN
China
Prior art keywords
data processing
angle
processing module
communication module
detection device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710442474.5A
Other languages
English (en)
Inventor
凌晓华
何春华
侯景义
罗向前
罗向勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangzhou Xin Qun Technology Co Ltd
Original Assignee
Guangzhou Xin Qun Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangzhou Xin Qun Technology Co Ltd filed Critical Guangzhou Xin Qun Technology Co Ltd
Priority to CN201710442474.5A priority Critical patent/CN107131865A/zh
Publication of CN107131865A publication Critical patent/CN107131865A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C1/00—Measuring angles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/0206—Three-component magnetometers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

本发明涉及一种角度检测装置，包括数据处理模块和与数据处理模块连接的通信模块；数据处理模块获取被测体运动之前的初始角度信息，并获取被测体运动产生的三轴角速度，采用预设姿态矩阵和三轴角速度进行姿态解算得到四元数，根据四元数获取欧拉角，并根据欧拉角和初始角度信息获取被测体运动之后的姿态角；数据处理模块通过通信模块将姿态角发送至外部终端。如此，数据处理模块检测得到的姿态角根据三轴角速度进行处理得到，考虑了多个方向，测量精度高。此外，整个角度检测装置包括相互连接的数据处理模块和通信模块，结构简单。

Description

角度检测装置
技术领域
本发明涉及数据检测技术领域，特别是涉及一种角度检测装置。
背景技术
角度是机械或人体运动过程中的一个重要参数，通过测量运动过程中的角度变化，有助于分析运动趋势。
传统的测量角度的装置通常采用包括基于霍尔效应测试方法、基于电容测试方法、基于电阻测试方法、基于机械片夹角测试方法等测试方法，一般只能测量单一方向的角度，容易受外界加速度和磁场等影响，从而导致角度测量误差较大，并且不同地理位置重力场的变化容易导致测量精度下降。
发明内容
基于此，有必要针对传统的测量角度的装置测量精度低的问题，提供一种测量精度高的角度检测装置。
一种角度检测装置，包括数据处理模块和与所述数据处理模块连接的通信模块；
所述数据处理模块获取被测体运动之前的初始角度信息，并获取所述被测体运动产生的三轴角速度，采用预设姿态矩阵和所述三轴角速度进行姿态解算得到四元数，根据所述四元数获取欧拉角，并根据所述欧拉角和所述初始角度信息获取所述被测体运动之后的姿态角；
所述数据处理模块通过所述通信模块将所述姿态角发送至外部终端。
上述角度检测装置，通过数据处理模块获取被测体运动之前的初始角度信息及由运动产生的三轴角速度，根据预设姿态矩阵和三轴角速度进行姿态解算得到四元数，然后根据四元数获取欧拉角，最终根据欧拉角和初始角度信息获取被测体运动之后的姿态角，最后通过通信模块将姿态角发送至外部终端，使得用户可通过外部终端查看。如此，数据处理模块检测得到的姿态角根据三轴角速度进行处理得到，考虑了多个方向，测量精度高。此外，整个角度检测装置包括相互连接的数据处理模块和通信模块，结构简单。
附图说明
图1为第一实施例中角度检测装置的结构图；
图2为第二实施例中角度检测装置的结构图；
图3为一实施例中电源管理模块的电路原理图；
图4为第三实施例中角度检测装置的结构图；
图5为一实施例中应用环境示意图。
具体实施方式
参考图1，第一实施例中的角度检测装置，包括数据处理模块110和与数据处理模块110连接的通信模块120。
数据处理模块110获取被测体运动之前的初始角度信息，并获取被测体运动产生的三轴角速度。
初始角度信息用于指示在此次运动之前的角度，比如前一次运动检测得到的角度。三轴角速度包括三维坐标系中x轴、y轴和z轴三个方向的角速度。
数据处理模块110采用预设姿态矩阵和三轴角速度进行姿态解算得到四元数，根据四元数获取欧拉角，并根据欧拉角和初始角度信息获取被测体运动之后的姿态角。数据处理模块110通过通信模块120将姿态角发送至外部终端(图未示)。
预设姿态矩阵可以根据实际情况设置并存储。具体地，可以通过四元数姿态解算的方法根据预设姿态矩阵和三轴角速度进行计算得到对应的四元数。具体地，可采用四元数到欧拉角的转换方法得到欧拉角。欧拉角为此次运动所产生的角度，最终被测体运动之后的姿态角在此次运动得到的欧拉角的基础上考虑初始角度信息，比如，在初始角度信息对应的角度上增加欧拉角得到姿态角。
上述角度检测装置，通过数据处理模块110获取被测体运动之前的初始角度信息及由运动产生的三轴角速度，根据预设姿态矩阵和三轴角速度进行姿态解算得到四元数，然后根据四元数获取欧拉角，最终根据欧拉角和初始角度信息获取被测体运动之后的姿态角，最后通过通信模块120将姿态角发送至外部终端，使得用户可通过外部终端查看。如此，数据处理模块110检测得到的姿态角根据三轴角速度进行处理得到，考虑了多个方向，测量精度高。此外，整个角度检测装置包括相互连接的数据处理模块110和通信模块120，结构简单。
在一实施例中，数据处理模块110获取被测体运动之前的初始角度信息，并获取被测体运动产生的三轴角速度，具体为：数据处理模块110获取被测体运动之前的初始角度信息，采集被测体运动产生的初始三轴角速度，对始三轴角速度进行滤波处理，得到三轴角速度。
通过对采集的初始三轴角速度进行滤波处理，使得到的三轴角速度更准确，从而可提高角度检测的精度。
具体地，可以是按照预设周期间隔采集初始三轴角速度，比如每隔10ms(毫秒)采集一次，最终可采用采集的多个初始三轴角速度的平均值。可以理解，在其他实施例中，预设周期也可以是根据需要设置为其他数值。
具体地，数据处理模块110可采用自适应卡尔曼滤波算法对初始三轴角速度进行滤波处理，得到三轴角速度。自适应卡尔曼滤波算法可以自适应调整噪声的统计特性(如标准差和方差)，以实现最优估计、抑制噪声干扰，从而实现最优的滤波。
在一实施例中，数据处理模块110还用于采集环境温度；对应地，数据处理模块110根据环境温度对三轴角速度进行温度补偿，得到温度补偿后的三轴角速度，采用预设姿态矩阵和温度补偿后的三轴角速度进行姿态解算得到四元数。
通过在采集环境温度，并根据环境温度对三轴角速度进行温度补偿，可在一定范围内消除温度变化对角度检测的影响，提高三轴角速度的准确性，从而提高角度检测的精度。
具体地，数据处理模块110可采用多项式拟合算法或神经网络补偿算法实现根据环境温度对三轴角速度进行温度补偿。可以理解，在其他实施例中还可以采用其他方式进行温度补偿。
具体地，数据处理模块110还用于将采集的环境温度发送至通信模块120，通信模块120将环境温度发送至外部终端。如此可提高外部终端中获取数据的多样性和完整性。
在一实施例中，数据处理模块110采用预设姿态矩阵和温度补偿后的三轴角速度进行姿态解算得到四元数，包括：获取运动时长，根据温度补偿后的三轴角速度分别获取运动时长所包含的多个时段的角增量；根据各时段的角增量获取运动时长对应的圆锥补偿后的等效旋转矢量；根据预设姿态矩阵和等效旋转矢量获取四元数。
运动时长指从开始运动到运动结束所耗费的时间。运动时长可划分为多个连续的时段，根据温度补偿后的三轴角速度可获取各时段的角增量。具体地，可采用圆锥补偿方法获取等效旋转矢量。通过采用圆锥补偿的方式，可提高获取四元数的准确性，从而进一步提高角度检测的准确性。
具体地，预设姿态矩阵为初始四元数对应的四个参数构成的矩阵。比如，假设四元数的表示形式为Q＝q0+q1i+q2j+q3k，其中q0为实数坐标，q1、q2、q3为虚数坐标，i,j,k分别为虚数单位，i*i＝j*j＝k*k＝-1；初始四元数为Q(t0)＝q0(t0)+q1(t0)i+q2(t0)j+q3(t0)k，则预设姿态矩阵为q0，q1，q2，q3构成的矩阵。
具体地，本实施例中，运动时长可划分为3个时段，数据处理模块110采用如下公式计算得到四元数：
Q(tn)＝q0(tn)+q1(tn)i+q2(tn)j+q3(tn)k (4)；
其中，ω为温度补偿后的三轴角速度，h为运动时长，h＝tn+1-tn；Δφ1为第一个时段的角增量，Δφ2为第二个时段的角增量，Δφ3为第三个时段的角增量；φh为圆锥补偿后的等效旋转矢量；q(h)为[tn,tn+1]时间段内的姿态变化四元数；Q(tn+1)和Q(tn)分别为tn+1和tn时刻的姿态四元数；u为与φh平行的单位矢量。根据公式(3)求得q(h)后，将q(h)代入公式(5)，联立公式(4)和(5)并结合预设姿态矩阵进行迭代运算即可求得Q(tn)，即可求得对应的q0(tn)、q1(tn)、q2(tn)、q3(tn)。
其中，如果采用传统的毕卡算法求解四元数，则有：
φh＝Δφ (7)；
其中，Δφ为运动时长内的角增量。
由于毕卡算法为单子样算法，即把[tn，tn+1]时间段内的ω看作不变的常数，这样会引起积分误差。为了补偿积分误差，需要采用多子样算法。考虑到虽然多子样可以提高计算精度，但是会极大增加计算量，因此本实施例中采用三子样算法，即在[tn，tn+1]时间段内的ω看作变量，用抛物线来拟合角速度。对于捷联惯导姿态更新来说，圆锥运动是最恶劣的工作条件，它会诱发数学平台的严重漂移，所以对旋转矢量算法作优化处理应以圆锥运动为环境条件。因此，本申请中，选取三子样算法计算三个时段的角增量，即公式(1)代替公式(6)，采用圆锥补偿的算法计算等效旋转矢量，即公式(2)代替公式(7)。如此，可在计算量较小的同时提高计算精度。
在一实施例中，四元数对应第一参数、第二参数、第三参数和第四参数，欧拉角包括航向角、横滚角和俯仰角。即，一个四元数对应有一个第一参数、一个第二参数、一个第三参数和一个第四参数。数据处理模块110采用如下公式计算得到欧拉角：
β(tn)＝-arcsin(2q1(tn)q3(tn)-2q0(tn)q2(tn))；
其中，q0(tn)、q1(tn)、q2(tn)、q3(tn)分别为第一参数、第二参数、第三参数和第四参数，α(tn)为俯仰角，β(tn)为横滚角，γ(tn)为航向角。
一具体应用例中，步骤S150得到的四元数对应的q0(tn)、q1(tn)、q2(tn)、q3(tn)分别为8765、-4143、13192、642，则计算得到的航向角γ(tn)、横滚角β(tn)和俯仰角α(tn)分别为351.625°、-61.75°、153.9375°。
在一实施例中，数据处理模块110还用于获取被测体的三轴磁场强度及运动产生的三轴加速度。具体地，数据处理模块110在根据欧拉角和初始角度信息获取被测体运动之后的姿态角之前，获取被测体的三轴磁场强度及运动产生的三轴加速度，具体可在获取被测体的三轴角速度的同时获取三轴磁场强度和三轴加速度。
对应地，数据处理模块110根据三轴加速度和三轴磁场强度对欧拉角进行校准，根据校准后的欧拉角与初始角度信息获取被测体运动之后的姿态角。
初始角度信息可以为前一次运动检测的欧拉角，则此次运动后，计算校准后的欧拉角与初始角度信息对应的欧拉角的矢量和即可得到被测体此次运动之后的姿态角。进一步地，可根据三轴加速度、三轴磁场强度和欧拉角采用卡尔曼滤波算法进行校准得到校准后的姿态角。
通过根据三轴角速度和三轴磁场强度对欧拉角进行校准，将所在地理位置的重力场和磁场对运动过程角度的影响考虑在内，可补偿因重力场和磁场产生的误差，提高欧拉角的检测精度。
在一实施例中，数据处理模块110获取被测体的三轴磁场强度及运动产生的三轴加速度后，还对三轴加速度和三轴磁场强度进行滤波处理，得到滤波后的三轴加速度和三轴磁场强度，以及根据采集的环境温度对滤波后的三轴加速度和三轴磁场强度进行温度补偿；对应地，数据处理模块110根据温度补偿后的三轴加速度和温度补偿后的三轴磁场强度对欧拉角进行校准。
通过先对三轴磁场强度和三轴加速度进行滤波和温度补偿处理，使得到的三轴磁场强度和三轴加速度更准确，从而对欧拉角的校准更准确，可进一步提高角度检测的准确性。具体地，三轴加速度和三轴磁场强度的滤波和温度补偿处理可与三轴角速度的滤波和温度补偿处理同时执行。
在一实施例中，数据处理模块110还可以将三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场强度发送至通信模块120，通信模块120将三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场强度发送至外部终端。通过将数据处理模块110在角度检测过程中获取的数据也通过通信模块120发送至外部终端，可进一步提高外部终端中获取数据的多样性和完整性。
参考图2，第二实施例中，数据处理模块110包括三轴加速度计111、三轴陀螺仪112、三轴磁力计113、温度传感器114和处理器115，处理器115连接三轴加速度计111、三轴陀螺仪112、三轴磁力计113、温度传感器114和通信模块120。
三轴加速度计111用于采集运动产生的初始三轴加速度；三轴陀螺仪112用于采集运动产生的初始三轴角速度；三轴磁力计113用于采集运动产生的初始三轴磁场强度；温度传感器114用于采集环境温度。处理器115用于获取初始角度信息、根据初始三轴加速度、初始三轴角速度和初始三轴磁场强度分别获取过滤后的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场强度，根据环境温度对三轴角速度、三轴加速度和三轴磁场强度进行温度补偿，并用于采用预设姿态矩阵和温度补偿后的三轴角速度进行姿态解算得到四元数，根据四元数获取欧拉角，根据温度补偿后的三轴加速度和三轴磁场强度对欧拉角进行校准，根据校准后的欧拉角与初始角度信息获取被测体运动之后的姿态角并发送至通信模块120。
通过采用三轴加速度计111、三轴陀螺仪112、三轴磁力计113、温度传感器114分别采集需要的数据，由处理器115统一根据采集的数据进行处理得到姿态角，功能分工明确，处理速度快。
具体地，本实施例中，数据处理模块110为IMU(惯性测量单元)芯片。
IMU芯片由三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、温度传感器和处理器集成封装在一起得到的器件，体积小且重量轻。通过采用IMU芯片的结构实现初始三轴加速度、初始三轴角速度和初始三轴磁场强度三种数据的采集，可减小整个角度检测装置的体积并减轻重量，使得角度检测装置更便携。本实施例中，IMU芯片可采用BNO055。
具体地，通信模块120包括蓝牙芯片。蓝牙芯片相比于其他类型的通信模块，功耗更低，因此可以降低角度检测装置的整体功耗。
蓝牙芯片与外部终端采用蓝牙协议进行通信，通信距离大约为10米。具体地，本实施例中，蓝牙芯片采用CC2540芯片。CC2540芯片包含8051内核，在具备蓝牙通信功能的同时，还用作8051单片机，用于读取IMU芯片的信息，比如姿态角；蓝牙芯片与IMU芯片之间采用UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter通用异步收发传输器)、SPI(Serial Peripheral Interface串行外设接口)或IIC(Inter-Integrated Circuit集成电路总线)通信协议；蓝牙芯片的电路板中带有板载倒F型天线，信号发射功率低，蓝牙芯片的工作频率为2.4G赫兹。
在一实施例中，继续参考图2，上述角度检测装置还包括可充电电池130和电源管理模块140，电源管理模块140连接通信模块120、数据处理模块110和可充电电池130。
电源管理模块140在接收到开机信号时，根据可充电电池的输出电压输出供电电压至通信模块120和数据处理模块110，在接收到关机信号时，停止输出供电电压至通信模块120和数据处理模块110。
通过采用电源管理模块140在接收开机信号/关机信号时，根据可充电电池130的输出电压输出/不输出供电电压至通信模120和数据处理模块110，从而可方便地控制数据处理模块110和通信模块120的开关机。
具体地，可充电电池130可采用内带充电保护电路的聚合物锂电池，供电稳定性好。为了节省角度检测装置的面积，聚合物锂电池选择较小容量，比如90mah。如每次运动时间约为30分钟，则该容量为90mah的聚合物锂电池可连续运行6个小时，每个放电周期可测试约12次。
参考图3，在一实施例中，电源管理模块140包括第一电阻R0、第二电阻R1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、开关SW、DC_DC芯片U1，DC_DC芯片U1设有输入端、输出端和使能端，数据处理模块110设有电源端，通信模块120设有电源端VCC、电平输出端GPIO1、第一电压检测端ADC1和第二电压检测端ADC2。
第一电阻R0和第二电阻R1串联，且公共端连接通信模块120的第一电压检测端ADC1，第一电阻R0的另一端连接可充电电池130，第二电阻R1另一端接地。开关SW一端连接可充电电池130，另一端连接第三电阻R3一端，第三电阻R3另一端通过第四电阻R4接地，且公共端连接通信模块120的第二电压检测端ADC2。DC_DC芯片U1的输入端连接可充电电池130，DC_DC芯片U1的输出端连接通信模块120的电源端VCC和数据处理模块110的电源端，DC_DC芯片U1的使能端连接第三电阻R3和第四电阻R4的公共端，且通过第五电阻R5连接通信模块120的电平输出端GPIO1。
可充电电池130的输出电压通过DC_DC芯片U1稳压供电电压给数据处理模块110和通信模块120供电。DC_DC芯片U1相比于其他类型的电源芯片，功耗低。具体地，DC_DC芯片U1可选用TPS62743。
以蓝牙芯片和IMU芯片为例，由于蓝牙芯片和IMU芯片的正常工作电压范围为2.3V～3.3V，因此可充电电池130的输出电压Vin范围应为2.5V～4.2V，最大电压为4.2V。第一电阻R0和第二电阻R1用于分压，令第一电阻R0的阻值等于第二电阻R1的阻值，则第一电压检测端ADC1的输入电压为可充电电池130的输出电压的一半，即范围为1.25V～2.1V，第一电压检测端ADC1的最大输入电压小于预设基准电压2.5V，满足测量要求。蓝牙芯片控制检测电量的工作过程如下：
当第一电压检测端ADC1的输入电压为2.1V时，蓝牙芯片检测到满电状态并显示，还可输出满电状态信息至外部终端进行显示；当第一电压检测端ADC1的输入电压小于1.25V时，蓝牙芯片检测到没电状态并显示，并关闭蓝牙芯片的IMU测试和无线收发功能，还可输出没电状态信息至外部终端提示用户充电。当第一电压检测端ADC1的输出电压在1.25V和2.1V之间，则蓝牙芯片可显示电量比例为(Vadc-1.25)/(2.1-1.25)，其中Vadc为第一电压检测端ADC1的输入电压。蓝牙芯片还可将检测的电量比例通过蓝牙协议发送到外部终端中进行显示。这样，以简单的电路即可实现可充电电池130的电量管理和控制。
本实施例中，开关SW为复位按钮，参考图3，电源管理模块140的开关机控制工作过程如下：
令第四电阻R4的阻值与第五电阻R5的阻值相等，第三电阻R3的阻值为0Ω。当DC_DC芯片U1断电时，数据处理模块110和通信模块120为关机状态，按下按键SW，这时EN节点电压为第三电阻R3与第四电阻R4公共端处的电压Vin，这时DC_DC芯片U1使能，DC_DC芯片U1的输出端输出供电电压为2.5V，数据处理模块110和通信模块120开始工作。
当蓝牙芯片开始工作时，蓝牙芯片的电平输出端GPIO1使能输出高电平，电压为VC。当开关SW仍旧闭合时，EN节点电压VEN1＝Vin，大于初次使能阀值2.2V。当开关SW断开时，可计算得到EN节点电压VEN2＝VC/2，大于0.8V(预设最低限定值)。蓝牙芯片开始工作下，开关SW断开和闭合的两种情况下EN节点电压均达到预设最低限定值，即DC_DC芯片U1能一直稳定工作。(DC_DC芯片U1初次导通时EN节点电压要到达2.2V，导通后EN节点电压在0.8～Vin均能稳定输出2.5V)。
当电路正常工作、开关SW断开时，第二电压检测端ADC2检测到的电压VEN2＝VC/2，由VEN1到VEN2电压急速减低的过程(瞬时电压差大于0.5V)，证明开关SW已经断开，此时蓝牙芯片记录此时是开机的状态。
当电路正常工作、开关SW被再次按下闭合时，EN节点电压升高为VEN1＝Vin。由于Vin>VC/2，第二电压检测端ADC2检测到由VEN2到VEN1电压急速升高的过程(瞬时电压差大于0.5V)，此时蓝牙芯片控制电平输出端GPIO1输出低电平，即输出的电压等于0，使DC_DC芯片U1的使能端电压低于预设最低限定值，DC_DC芯片U1停止输出供电电压，电源关闭，蓝牙芯片和IMU芯片停止工作。具体地，为了防止误关机，蓝牙芯片采取延时判断，当开关SW按下时间大于3s，也就是说第二电压的检测端ADC2检测到的电压大于VC/2的时间大于3s，则开始关闭电源。关闭电源之前先通过软件关闭IMU芯片，然后设置GPIO1输出低电平，这时用户松开开关SW、开关SW断开时，EN节点电压为VEN3＝0，使DC_DC芯片U1不工作。
通过以上简单的方法即可实现角度检测装置的开机和关机。
参考图3，电源管理模块140还可以包括充电芯片U2、发光二极管LED、保护二极管D1和第六电阻R2，充电芯片U2包括第一端、第二端、第三端和第四端。
充电芯片U2的第一端连接电源接入端的第一端，充电芯片U2的第二端连接保护二极管D1的阳极，保护二极管D1的阴极连接电源接入端的第二端且公共端接地，充电芯片U2的第三端连接第六电阻R2一端和可充电电池130，第六电阻R2另一端连接发光二极管LED的阳极，发光二极管LED的阴极连接充电芯片U2的第四端。
充电芯片U2用于给可充电电池130充电。本实施例中，电源接入端为USB，输出5V电压供电，通过充电芯片U2输出稳压到4.2V给可充电电池130充电。在充电的时候发光二极管LED亮起，充满电后发光二极管LED熄灭。第六电阻R2用于调节发光二极管LED的亮度。保护二极管D1起到保护作用，防止电源反接。通过采用充电芯片U2、发光二极管LED、保护二极管D1和第六电阻R2组成的上述结构给可充电电池130充电，可指示满电，使用便利，且安全性强。具体地，充电芯片U2可选用BQ21040。
参考图4，第三实施例中，上述角度检测装置还包括移动终端150和服务器160，移动终端150分别与通信模块120和服务器160通信连接，通信模块120根据姿态角生成数据包并发送至移动终端150，移动终端150根据数据包发送检测信息至服务器160。
通过根据姿态角生成数据包发送至移动终端150，便于用户通过移动终端150进行查看和分析；同时通过移动终端150生成检测信息至服务器160，可将检测信息远程传输保存到服务器160中，便于远程查看，方便快捷。可以理解，在其他实施例中，数据包还可以是根据三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场强度、环境温度和姿态角生成，如此，移动终端150可通过通信模块140获取多种检测得到的数据，便于用户查看较多种类的信息。
具体地，移动终端150可解析数据包得到姿态角。移动终端150可直接将姿态角作为检测信息发送至服务器160，也可以根据姿态角进行数据处理后生成检测信息，比如，移动终端150比较姿态角与预设角度的大小，若姿态角大于预设角，则生成运动尺度过大的检测信息，若姿态角小于预设角且姿态角与预设角的差值的绝对值大于预设差值，则生成运动尺度过小的检测信息。
本实施例中，移动终端150为手机。采用日常常用的手机接收数据包，便利性高。可以理解，在其他实施例中，移动终端150还可以为其他，比如平板。
在一实施例中，数据包携带有姿态角和校验码，移动终端150接收数据包后校验接收的数据包内的校验码与预设校验码是否一致，若一致则存储所数据包内的姿态角，否则丢弃数据包。通过在数据包中设置校验码，以便移动终端150识别有效的数据包和无效的数据包，避免移动终端150进行无效数据分析，降低传输信道的耦合干扰，可提高数据处理效率。
具体地，数据包采用16进制发送，格式为“BB+字节个数n+n个字节+EE+16位CRC校验码”。n一般等于28，用于输出三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场强度、三轴的姿态角、环境温度以及电量比例，一共14个信息，每个信息用双字节表示，先发高位再发低位，则一共28个字节。校验码采用16位双字节的CRC(Cyclic Redundancy Check循环冗余检查)校验码，先发高位再发低位。
上述角度检测装置，可以应用于机械运动的角度检测，也可以应用于人体关节运动的角度检测。例如，康复运动对于患者的修复治疗具有非常重要的作用，多数医生都要求患者在骨骼手术后进行一定强度的康复运动训练。肢体运动的加速度、角速度和角度除了反映动作是否标准到位，还可间接反映患者的康复进展，因此非常重要。康复运动时，关键节点的加速度、角速度和角度还可用于间接表征人体关节是否存在韧带断裂、肌肉拉伤、脱臼、劳损等问题。传统的机械医疗器材体积大、重量大、功耗大，重要的是传统的机械医疗器材检测角度的精度低。
上述角度检测装置可测量姿态角、三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场强度、环境温度的多个数据，且结构简单，可作为便携式的康复运动监测产品，检测患者关节运动时产生的姿态角，检测精度高；同时还把检测的数据上传至移动终端150，移动终端150发送检测信息至服务器，医生可通过远程实时观测患者的运动数据，并制定相应的康复运动方案。如图5所示，为一应用环境示意图。如此，运动数据的检测精度高，且方便患者康复训练和医生实时监控。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种角度检测装置，其特征在于，包括数据处理模块和与所述数据处理模块连接的通信模块；
所述数据处理模块获取被测体运动之前的初始角度信息，并获取所述被测体运动产生的三轴角速度，采用预设姿态矩阵和所述三轴角速度进行姿态解算得到四元数，根据所述四元数获取欧拉角，并根据所述欧拉角和所述初始角度信息获取所述被测体运动之后的姿态角；
所述数据处理模块通过所述通信模块将所述姿态角发送至外部终端。
2.根据权利要求1所述的角度检测装置，其特征在于，所述数据处理模块还用于采集环境温度；
所述数据处理模块根据所述环境温度对所述三轴角速度进行温度补偿，得到温度补偿后的三轴角速度，采用所述预设姿态矩阵和温度补偿后的三轴角速度进行姿态解算得到所述四元数。
3.根据权利要求2所述的角度检测装置，其特征在于，所述数据处理模块还用于获取所述被测体的三轴磁场强度及运动产生的三轴加速度；
所述数据处理模块根据所述三轴加速度和所述三轴磁场强度对所述欧拉角进行校准，根据校准后的欧拉角与所述初始角度信息获取所述被测体运动之后的姿态角。
4.根据权利要求3所述的角度检测装置，其特征在于，所述数据处理模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、温度传感器和处理器，所述处理器连接所述三轴加速度计、所述三轴陀螺仪、所述三轴磁力计、所述温度传感器和所述通信模块。
5.根据权利要求3所述的角度检测装置，其特征在于，所述数据处理模块为IMU芯片，所述通信模块包括蓝牙芯片。
6.根据权利要求1-5任一项所述的角度检测装置，其特征在于，还包括可充电电池和电源管理模块，所述电源管理模块连接所述通信模块、所述数据处理模块和所述可充电电池；
所述电源管理模块在接收到开机信号时，根据所述可充电电池的输出电压输出供电电压至所述通信模块和所述数据处理模块，在接收到关机信号时，停止输出所述供电电压至所述通信模块和所述数据处理模块。
7.根据权利要求6所述的角度检测装置，其特征在于，所述电源管理模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、开关、DC_DC芯片，所述DC_DC芯片设有输入端、输出端和使能端，所述数据处理模块设有电源端，所述通信模块设有电源端、电平输出端、第一电压检测端和第二电压检测端；
所述第一电阻和所述第二电阻串联，且公共端连接所述通信模块的第一电压检测端，所述第一电阻的另一端连接所述可充电电池，所述第二电阻另一端接地；
所述开关一端连接所述可充电电池，另一端连接所述第三电阻一端，所述第三电阻另一端通过所述第四电阻接地，且公共端连接所述通信模块的第二电压检测端，所述DC_DC芯片的输入端连接所述可充电电池，所述DC_DC芯片的输出端连接所述通信模块的电源端和所述数据处理模块的电源端，所述DC_DC芯片的使能端连接所述第三电阻和所述第四电阻的公共端，且通过所述第五电阻连接所述通信模块的电平输出端。
8.根据权利要求7所述的角度检测装置，其特征在于，所述电源管理模块还包括充电芯片、发光二极管、保护二极管和第六电阻，所述充电芯片包括第一端、第二端、第三端和第四端；
所述充电芯片的第一端连接电源接入端的第一端，所述充电芯片的第二端连接所述保护二极管的阳极，所述保护二极管的阴极连接所述电源接入端的第二端且公共端接地，所述充电芯片的第三端连接所述第六电阻一端和所述可充电电池，所述第六电阻另一端连接所述发光二极管的阳极，所述发光二极管的阴极连接所述充电芯片的第四端。
9.根据权利要求1-5任一项所述的角度检测装置，其特征在于，还包括移动终端和服务器，所述移动终端分别与所述通信模块和所述服务器通信连接，所述通信模块根据所述姿态角生成数据包并发送至所述移动终端，所述移动终端根据所述数据包发送检测信息至所述服务器。
10.根据权利要求9所述的角度检测装置，其特征在于，所述数据包携带有所述姿态角和校验码，所述移动终端接收所述数据包后校验接收的数据包内的校验码与预设校验码是否一致，若一致则存储所数据包内的姿态角，否则丢弃所述数据包。
CN201710442474.5A 2017-06-13 2017-06-13 角度检测装置 Pending CN107131865A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710442474.5A CN107131865A (zh) 2017-06-13 2017-06-13 角度检测装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710442474.5A CN107131865A (zh) 2017-06-13 2017-06-13 角度检测装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107131865A true CN107131865A (zh) 2017-09-05

Family

ID=59734514

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710442474.5A Pending CN107131865A (zh) 2017-06-13 2017-06-13 角度检测装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107131865A (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108917589A (zh) * 2018-07-18 2018-11-30 上海交通大学 一种机械手关节角度测量系统、平台及测量方法
CN109990776A (zh) * 2019-04-12 2019-07-09 武汉深海蓝科技有限公司 一种姿态测量方法及装置
CN110075514A (zh) * 2019-04-22 2019-08-02 广州三拾七度智能家居有限公司 一种游戏单车
CN110141240A (zh) * 2019-06-05 2019-08-20 河南理工大学 一种基于磁/惯性器件的脊柱测量仪
CN111561926A (zh) * 2020-06-04 2020-08-21 成都亿佰特电子科技有限公司 一种便携式姿态检测装置及物品姿态检测方法
CN113156155A (zh) * 2021-03-25 2021-07-23 无锡博智芯科技有限公司 高精度可穿戴设备的测速方法、系统、介质及设备

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102252676A (zh) * 2011-05-06 2011-11-23 微迈森惯性技术开发（北京）有限公司 运动姿态数据获取、人体运动姿态追踪方法及相关设备
CN106342284B (zh) * 2008-08-18 2011-11-23 西北工业大学 一种飞行载体姿态确定方法
CN102982653A (zh) * 2012-11-07 2013-03-20 中南大学 基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法及装置
CN103308069A (zh) * 2013-06-04 2013-09-18 电子科技大学 一种跌倒检测装置及方法
CN103487011A (zh) * 2013-09-06 2014-01-01 广州畅途软件有限公司 一种数据手套的姿态角检测方法
CN103712598A (zh) * 2013-12-31 2014-04-09 渤海大学 一种小型无人机姿态确定系统与确定方法
CN104729507A (zh) * 2015-04-13 2015-06-24 大连理工大学 一种基于惯性传感器的步态识别方法
CN205353765U (zh) * 2016-02-04 2016-06-29 仲恺农业工程学院 一种六旋翼飞行系统
CN105910606A (zh) * 2016-06-20 2016-08-31 天津大学 一种基于角速度差值的方向修正方法
CN106403952A (zh) * 2016-08-29 2017-02-15 中国人民解放军火箭军工程大学 一种动中通低成本组合姿态测量方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106342284B (zh) * 2008-08-18 2011-11-23 西北工业大学 一种飞行载体姿态确定方法
CN102252676A (zh) * 2011-05-06 2011-11-23 微迈森惯性技术开发（北京）有限公司 运动姿态数据获取、人体运动姿态追踪方法及相关设备
CN102982653A (zh) * 2012-11-07 2013-03-20 中南大学 基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法及装置
CN103308069A (zh) * 2013-06-04 2013-09-18 电子科技大学 一种跌倒检测装置及方法
CN103487011A (zh) * 2013-09-06 2014-01-01 广州畅途软件有限公司 一种数据手套的姿态角检测方法
CN103712598A (zh) * 2013-12-31 2014-04-09 渤海大学 一种小型无人机姿态确定系统与确定方法
CN104729507A (zh) * 2015-04-13 2015-06-24 大连理工大学 一种基于惯性传感器的步态识别方法
CN205353765U (zh) * 2016-02-04 2016-06-29 仲恺农业工程学院 一种六旋翼飞行系统
CN105910606A (zh) * 2016-06-20 2016-08-31 天津大学 一种基于角速度差值的方向修正方法
CN106403952A (zh) * 2016-08-29 2017-02-15 中国人民解放军火箭军工程大学 一种动中通低成本组合姿态测量方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘忆宁: "《格洛纳斯卫星导航系统原理》", 31 July 2016 *
张洋: "《精通STM32F4》", 30 April 2015 *
徐振平: "《机器人控制技术基础—基于Arduino的四旋翼飞行器设计与实现》", 30 April 2017 *
熊田忠: "《运动控制实践教程》", 31 May 2016 *
王小峰 等: "《捷联惯导系统航姿算法的比较及仿真分析》", 《现代导航》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108917589A (zh) * 2018-07-18 2018-11-30 上海交通大学 一种机械手关节角度测量系统、平台及测量方法
CN109990776A (zh) * 2019-04-12 2019-07-09 武汉深海蓝科技有限公司 一种姿态测量方法及装置
CN110075514A (zh) * 2019-04-22 2019-08-02 广州三拾七度智能家居有限公司 一种游戏单车
CN110141240A (zh) * 2019-06-05 2019-08-20 河南理工大学 一种基于磁/惯性器件的脊柱测量仪
CN111561926A (zh) * 2020-06-04 2020-08-21 成都亿佰特电子科技有限公司 一种便携式姿态检测装置及物品姿态检测方法
CN113156155A (zh) * 2021-03-25 2021-07-23 无锡博智芯科技有限公司 高精度可穿戴设备的测速方法、系统、介质及设备
CN113156155B (zh) * 2021-03-25 2024-04-05 无锡博智芯科技有限公司 高精度可穿戴设备的测速方法、系统、介质及设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107131865A (zh) 角度检测装置
CN103933722B (zh) 一种健身哑铃运动检测装置及健身哑铃运动检测方法
CN107462148B (zh) 一种门状态检测方法及装置
EP1619475B1 (en) Apparatus and method for measuring quantity of physical exercise using acceleration sensor
CN102818913A (zh) 一种人体运动信息检测装置及其检测方法
CN103308069A (zh) 一种跌倒检测装置及方法
CN109011506B (zh) 一种训练动作识别方法
CN103349395A (zh) 一种运动指标测量鞋垫及其对应的数据处理方法
CN202710598U (zh) 一种人体运动信息检测装置
CN105179013A (zh) 基于振动监测定位的煤炭盗采监测方法
CN104034373A (zh) 自充电式电磁流量计
CN110979336A (zh) 一种车身运行姿态实时监控系统
CN204631274U (zh) 一种定向器及空心包体应变计的安装设备
CN206192340U (zh) 一种便携式倾角测量设备
CN107063173A (zh) 角度检测方法和关节运动夹角检测系统
CN211234441U (zh) 一种双轴陀螺仪惯性传感器
CN104958897A (zh) 一种运动轨迹和运动速度采集装置和系统
CN206174952U (zh) 一种钻孔测斜装置
CN205719009U (zh) 一种计步器
CN216647176U (zh) 一种用于教学实验的基于stm32的四旋翼无人机平台
CN106908642A (zh) 一种探头、示波器、运动识别系统及方法
CN202710070U (zh) 一种测量球拍挥拍速度的装置及系统
Tsang et al. Non-destructive stiffness detection of utility wooden poles using wireless MEMS sensor
Meamarbashi Designing a new wearable and Wireless Inertial Measurement Unit for the physical activity monitoring
CN205548574U (zh) 一种可测量紫外线的智能运动健康监测设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170905