CN111561926A - 一种便携式姿态检测装置及物品姿态检测方法 - Google Patents

一种便携式姿态检测装置及物品姿态检测方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种便携式姿态检测装置及物品姿态检测方法，包括微控制器，所述微控制器包括卡尔曼滤波器和数字滤波器；与所述微控制器连接的蓝牙通信模块；与所述微控制器连接的三轴加速度传感器；与所述微控制器连接的第一三轴陀螺仪；与所述微控制器连接的三轴地磁传感器。通过微控制器中的数字滤波器可以对三轴加速度传感器、第一三轴陀螺仪和三轴地磁传感器检测到的原始运动数据进行数字滤波处理；然后微控制器就可以根据数字滤波处理后的数据合成角度信息，再通过卡尔曼滤波器将角度信息融合为物体姿态数据，最后通过蓝牙通信模块发送给主机；既实现了对设备姿态的检测，又优化了检测装置的结构，降低了功耗和成本。

Description

一种便携式姿态检测装置及物品姿态检测方法
技术领域
本申请涉及姿态采集技术领域，具体而言，涉及一种便携式姿态检测装置及物品姿态检测方法。
背景技术
随着物联网技术的发展，在生产和生活中越来越关注物品的各种状态信息，比如电池的使用程度、物体的位置、物体姿态信息等，在万物可联的今天，这些信息有着巨大的应用前景，其中姿态信息就是不可或缺的一部分。目前，市面上的姿态采集装置组成结构复杂、体积大、不适合安装，比如某些采集装置的数据采集和数据传输分离，安装流程繁琐，并且有线的数据传输也会增加成本，这些因素都大大地降低了姿态采集装置的灵活性。所以需要提供一种更便携、低成本、低功耗的姿态采集方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种便携式姿态检测装置及物品姿态检测方法，用以实现在对设备进行姿态检测的同时降低装置功耗和成本的技术效果。
第一方面，本申请实施例提供了一种便携式姿态检测装置，包括微控制器，所述微控制器包括卡尔曼滤波器和数字滤波器；与所述微控制器连接的蓝牙通信模块；与所述微控制器连接的三轴加速度传感器；与所述微控制器连接的第一三轴陀螺仪；与所述微控制器连接的三轴地磁传感器。
进一步地，所述蓝牙通信模块为BLE蓝牙通信模块。
进一步地，所述BLE蓝牙通信模块为2.4G单频蓝牙，通信标准为蓝牙 5.0。
进一步地，所述三轴地磁传感器为霍尔型传感器，磁感应强度测量范围为±4800uT。
进一步地，所述三轴加速度传感器的测量范围为±16g。
进一步地，所述第一三轴陀螺仪的测量范围为±2000°/s。
第二方面，本申请实施例提供一种便携式姿态检测装置，包括微控制器，所述微控制器包括卡尔曼滤波器和数字滤波器；与所述微控制器连接的蓝牙通信模块；与所述微控制器连接的九轴运动传感器，所述九轴运动传感器包括三轴加速度计、第二三轴陀螺仪、三轴地磁计和处理器。
进一步地，所述蓝牙通信模块为BLE蓝牙通信模块；所述BLE蓝牙通信模块，为2.4G单频蓝牙，通信标准为蓝牙5.0。
进一步地，所述三轴地磁计为霍尔型传感器，磁感应强度测量范围为±4800uT；所述三轴加速度计的测量范围为±16g；所述第二三轴陀螺仪的测量范围为±2000°/s。
第三方面，本申请实施例提供一种物品姿态检测方法，应用于上述的便携式姿态检测装置，包括获取物品的原始运动数据；利用微控制器中的数字滤波器对所述原始运动数据进行数字滤波处理，剔除异常数据，保留合法数据；根据所述合法数据合成角度信息；利用微控制器中的卡尔曼滤波器对所述角度信息进行融合，得到物品姿态数据；通过蓝牙通信模块将物品姿态数据发送给主机。
本申请能够实现的有益效果是：通过微控制器中的数字滤波器可以对三轴加速度传感器/三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴地磁传感器/三轴地磁计检测到的原始运动数据进行数字滤波处理；然后微控制器就可以根据数字滤波处理后的数据合成角度信息，再通过卡尔曼滤波器将角度信息融合为物体姿态数据，最后通过蓝牙通信模块发送给主机；既实现了对设备姿态的检测，又优化了检测装置的结构，降低了功耗和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的第一种便携式姿态检测装置拓扑结构示意图；
图2为本申请实施例提供的第一种便携式姿态检测装置拓扑结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种物品姿态检测方法总体流程示意图。
图标：10-便携式姿态检测装置；100-微控制器；110-卡尔曼滤波器； 120-数字滤波器；200-蓝牙通信模块；300-三轴加速度传感器；400-第一三轴陀螺仪；500-三轴地磁传感器；600-九轴运动传感器；610-处理器；620- 三轴加速度计；630-第二三轴陀螺仪；640-三轴地磁计。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参看图1，图1为本申请实施例提供的第一种便携式姿态检测装置拓扑结构示意图。
在一种实施方式中，本申请实施例提供的便携式姿态检测装置10包括微控制器100，所述微控制器100包括卡尔曼滤波器110和数字滤波器120；与所述微控制器100连接的蓝牙通信模块200；与所述微控制器100连接的三轴加速度传感器300；与所述微控制器100连接的第一三轴陀螺仪400；与所述微控制器100连接的三轴地磁传感器500。
通过微控制器100中的数字滤波器120可以对三轴加速度传感器300、第一三轴陀螺仪400、三轴地磁传感器500检测到的原始运动数据进行数字滤波处理；然后微控制器100就可以根据数字滤波处理后的数据合成角度信息，再通过卡尔曼滤波器110将角度信息融合为物体姿态数据，最后通过蓝牙通信模块200发送给服务器或者上位机；既实现了对设备姿态的检测，又优化了检测装置的结构，降低了功耗和成本。
在一种实施方式中，蓝牙通信模块200为BLE蓝牙通信模块，该BLE 蓝牙通信模块为2.4G单频蓝牙，通信标准为蓝牙5.0。具体地，BLE蓝牙通信模块基于Texas Instruments的2.4G单频蓝牙CC2640R2F方案进行，通信标准是蓝牙技术联盟(Bluetooth SpecialInterest Group)提出的Bluetooth Version 5.0，支持2M空速，且功耗极低。
蓝牙通信模块200的工作核心内容分为两个部分：a.在没有建立蓝牙连接时，将物品姿态信息以广播的形式发射到空气中，以便其他主机设备在不连接的情况下捕获姿态信息；b.在建立连接后将姿态信息通过设置的数据通道发送到主机设备，使主机设备能直接获取物品的姿态信息。具体地，具体地，可以先根据协议栈提供的方法设置蓝牙从机角色并打开广播、连接等蓝牙功能，当需要更新姿态数据时，将卡尔曼滤波器110合成的姿态数据更新到数据buff中。当采用广播的形式时，先设置广播数据，广播数据按照表1的格式将姿态数据打包封装，在广播周期到来之后发送广播数据。当通过特定通道直接发送姿态数据时，先根据蓝牙协议栈的接口设置出特定的数据通道，配置通道的句柄、属性、特征值，然后在发送周期到来之后将数据按照表2的格式发送至主机。
表1
Figure RE-GDA0002585735340000051
表2
Figure RE-GDA0002585735340000052
微控制器100可以通过三轴加速度传感器300、第一三轴陀螺仪400、三轴地磁传感器500获取物品的原始运动数据；获取原始运动数据后就可以进一步合成对应的角度信息。具体地，微控制器100获取到原始运动数据后，先将采集到的原始运动数据输入数字滤波器120做数字滤波处理，剔除异常数据，保留合法数据；然后将合法数据根据运动合成算法合成角度信息。在获得角度信息后，微控制器100再通过卡尔曼滤波器110将角度信息融合为物品姿态数据，并预测下一个时刻的状态量。具体包括两个部分：a.预测：根据上一个时刻的值预估下一时刻的值，成为先验估计，同时也会预测下一刻的误差，成为先验误差。b.更新：更新也叫做矫正，这一步首先是计算卡尔曼增益(一个权衡先验估计与测量值的权重)，再利用上一步的先验估计来计算后验估计，同时更新先验误差到后验误差。在获得物品姿态数据后就可以通过蓝牙通信模块200进行发送。
在一种实施方式中，三轴地磁传感器500可以为霍尔型传感器，磁感应强度测量范围为±4800uT；三轴加速度传感器300的测量范围为±16g；第一三轴陀螺仪400的测量范围为±2000°/s。
请参看图2，图2为本申请实施例提供的第一种便携式姿态检测装置拓扑结构示意图。
在一种实施方式中，本申请实施例提供的便携式姿态检测装置10包括微控制器100，所述微控制器100包括卡尔曼滤波器110和数字滤波器120；与所述微控制器100连接的蓝牙通信模块200；与所述微控制器100连接的九轴运动传感器600，所述九轴运动传感器600包括三轴加速度计620、第二三轴陀螺仪630、三轴地磁计640和处理器610(处理器610可以选用，但不限于，单片机)。
在一种实施方式中，蓝牙通信模块200为BLE蓝牙通信模块，该BLE 蓝牙通信模块为2.4G单频蓝牙，通信标准为蓝牙5.0。具体地，BLE蓝牙通信模块基于Texas Instruments的2.4G单频蓝牙CC2640R2F方案进行，通信标准是蓝牙技术联盟(Bluetooth SpecialInterest Group)提出的Bluetooth Version 5.0，支持2M空速，且功耗极低。
蓝牙通信模块200的工作核心内容分为两个部分：a.在没有建立蓝牙连接时，将物品姿态信息以广播的形式发射到空气中，以便其他主机设备在不连接的情况下捕获姿态信息；b.在建立连接后将姿态信息通过设置的数据通道发送到主机设备，使主机设备能直接获取物品的姿态信息。具体地，可以先根据协议栈提供的方法设置蓝牙从机角色并打开广播、连接等蓝牙功能，当需要更新姿态数据时，将卡尔曼滤波器110合成的姿态数据更新到数据buff中。当采用广播的形式时，先设置广播数据，广播数据按照表 1的格式将姿态数据打包封装，在广播周期到来之后发送广播数据。当通过特定通道直接发送姿态数据时，先根据蓝牙协议栈的接口设置出特定的数据通道，配置通道的句柄、属性、特征值，然后在发送周期到来之后将数据按照表2的格式发送至主机。
在一种实施方式中，九轴运动传感器600可以选用集成三轴加速度计 620、第二三轴陀螺仪630、三轴地磁计640于一体的MPU9250九轴运动传感器。MPU9250九轴运动传感器通过IIC接口可达到400kHz/s的传输速率，并且其三轴陀螺仪角速度测量范围可达到±2000°/s，具有良好的动态响应特性；三轴加速度计620测量范围为±16g，静态测量精度高；电子罗盘是高灵敏度霍尔型传感器，磁感应强度测量范围为±4800uT。微控制器100 可以通过IIC接口获取物品的原始运动数据。
获取原始运动数据后就可以进一步合成对应的角度信息。具体地，微控制器100获取到原始运动数据后，先将采集到的原始运动数据输入数字滤波器120做数字滤波处理，剔除异常数据，保留合法数据；然后将合法数据根据运动合成算法合成角度信息。物品的姿态信息采用欧拉角的方式来表示，欧拉角是指：俯仰角ρ(X轴与地面的角度)、翻滚角
Figure DEST_PATH_BDA0002524845120000071
(Y轴与地面的角度)和航向角α(绕Z轴旋转的角度)。
在获得角度信息后，微控制器100再通过卡尔曼滤波器110将角度信息融合为物品姿态数据，并预测下一个时刻的状态量。具体包括两个部分： a.预测：根据上一个时刻的值预估下一时刻的值，成为先验估计，同时也会预测下一刻的误差，成为先验误差。b.更新：更新也叫做矫正，这一步首先是计算卡尔曼增益(一个权衡先验估计与测量值的权重)，再利用上一步的先验估计来计算后验估计，同时更新先验误差到后验误差。在获得物品的姿态数据后就可以通过蓝牙通信模块200进行发送。
请参看图3，图3为本申请实施例提供的一种物品姿态检测方法总体流程示意图。
本申请实施例提供的物品姿态检测方法主要包括以下步骤：
步骤S101，获取物品的原始运动数据。
微控制器可以通过三轴加速度传感器/三轴加速度计、第一/第二三轴陀螺仪和三轴地磁传感器/三轴地磁计检测物品的原始运动数据。
步骤S102，利用微控制器中的数字滤波器对所述原始运动数据进行数字滤波处理，剔除异常数据，保留合法数据。
微控制器在获取到物品的原始运动数据后就可以通过数字滤波器对该原始运动数据进行数字滤波处理，剔除异常数据，保留合法数据。
步骤S103，根据所述合法数据合成角度信息。
在获得合法数据以后，控制器就可以利用运动合成算法将合法数据合成为角度信息。
步骤S104，利用微控制器中的卡尔曼滤波器对所述角度信息进行融合，得到物品姿态数据；
当获得合成的角度信息后，微控制器就可以利用卡尔曼滤波器对角度信息进行融合，并预测下一个时刻的状态量。主要包括以下两部分：a.预测：根据上一个时刻的值预估下一时刻的值，成为先验估计，同时也会预测下一刻的误差，成为先验误差。b.更新：更新也叫做矫正，这一步首先是计算卡尔曼增益(一个权衡先验估计与测量值的权重)，再利用上一步的先验估计来计算后验估计，同时更新先验误差到后验误差。
步骤S105，通过蓝牙通信模块将物品姿态数据发送给主机。
通过卡尔曼滤波器对角度信息进行融合获得物品姿态数据后，微控制器就可以启动蓝牙通信模块，将物品姿态数据发送给主机。
在使用蓝牙通信模块时，可以根据协议栈提供的方法设置蓝牙通信模块从机角色并打开广播、连接等蓝牙功能；当需要发送更新的姿态数据时，将卡尔曼滤波器合成的姿态数据更新到数据buff中。当从机的蓝牙通信模块未与主机的蓝牙通信模块连接时，采用广播的形式发送数据，先设置广播数据，根据表1设置的数据格式对物品姿态数据进行打包封装，在广播周期到来之后发送广播数据。当从机的蓝牙通信模块与主机的蓝牙通信模块连接时，通过特定通道直接发送姿态数据，根据蓝牙协议栈的接口设置出特定的数据通道，配置好通道的句柄、属性、特征值，然后在发送周期到来之后将数据按照表2的格式发送至主机的蓝牙通信模块。
综上所述，本申请实施例提供一种便携式姿态检测装置及物品姿态检测方法，通过微控制器中的数字滤波器可以对三轴加速度传感器/三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴地磁传感器/三轴地磁计检测到的原始运动数据进行数字滤波处理；然后微控制器就可以根据数字滤波处理后的数据合成角度信息，再通过卡尔曼滤波器将角度信息融合为物体姿态数据，最后通过蓝牙通信模块发送给服务器或者上位机；既实现了对设备姿态的检测，又优化了检测装置的结构，降低了功耗和成本。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种便携式姿态检测装置，其特征在于，包括微控制器，所述微控制器包括卡尔曼滤波器和数字滤波器；与所述微控制器连接的蓝牙通信模块；与所述微控制器连接的三轴加速度传感器；与所述微控制器连接的第一三轴陀螺仪；与所述微控制器连接的三轴地磁传感器。
2.根据权利要求1所述的便携式姿态检测装置，其特征在于，所述蓝牙通信模块为BLE蓝牙通信模块。
3.根据权利要求2所述的便携式姿态检测装置，其特征在于，所述BLE蓝牙通信模块为2.4G单频蓝牙，通信标准为蓝牙5.0。
4.根据权利要求1所述的便携式姿态检测装置，其特征在于，所述三轴地磁传感器为霍尔型传感器，磁感应强度测量范围为±4800uT。
5.根据权利要求1所述的便携式姿态检测装置，其特征在于，所述三轴加速度传感器的测量范围为±16g。
6.根据权利要求1所述的便携式姿态检测装置，其特征在于，所述第一三轴陀螺仪的测量范围为±2000°/s。
7.一种便携式姿态检测装置，其特征在于，包括微控制器，所述微控制器包括卡尔曼滤波器和数字滤波器；与所述微控制器连接的蓝牙通信模块；与所述微控制器连接的九轴运动传感器，所述九轴运动传感器包括三轴加速度计、第二三轴陀螺仪、三轴地磁计和处理器。
8.根据权利要求7所述的便携式姿态检测装置，其特征在于，所述蓝牙通信模块为BLE蓝牙通信模块；所述BLE蓝牙通信模块，为2.4G单频蓝牙，通信标准为蓝牙5.0。
9.根据权利要求7所述的便携式姿态检测装置，其特征在于，所述三轴地磁计为霍尔型传感器，磁感应强度测量范围为±4800uT；所述三轴加速度计的测量范围为±16g；所述第二三轴陀螺仪的测量范围为±2000°/s。
10.一种物品姿态检测方法，应用于权利要求1-9任一项所述的便携式姿态检测装置，其特征在于，包括：
获取物品的原始运动数据；
利用微控制器中的数字滤波器对所述原始运动数据进行数字滤波处理，剔除异常数据，保留合法数据；
根据所述合法数据合成角度信息；
利用微控制器中的卡尔曼滤波器对所述角度信息进行融合，得到物品姿态数据；
通过蓝牙通信模块将物品姿态数据发送给主机。
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