基于iNEMO模塊的姿態(tài)檢測及數據傳輸系統設計

　　近年來(lái)，MEMS技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執行器、電力電子器件等在航空、航天、汽車(chē)、生物醫學(xué)、軍事等領(lǐng)域中都有著(zhù)十分廣闊的應用前景，同時(shí)人體姿態(tài)檢測和信息融合技術(shù)在人體醫學(xué)工程、健康監護等領(lǐng)域的研究也逐漸開(kāi)展起來(lái)。

　　目前人體姿態(tài)檢測的主要手段有圖像分析和加速度分析兩種，圖像分析的算法通過(guò)攝像捕捉人體運動(dòng)姿態(tài)，經(jīng)過(guò)一定的圖像處理技術(shù)確定人體的姿態(tài)，該方法需要在人體運動(dòng)的區域安裝攝像頭，價(jià)格昂貴、具有一定的局限性;傳統的加速度算法采用SVM (Support Vector Machine)算法對數據進(jìn)行預處理，然后用KFD(Kernel Fisher Discriminant)算法和k-NN(Nearest Neighbour)算法進(jìn)行精確判定，該方法計算量大、編程復雜。

　　本系統提出的算法主要是在加速度計、陀螺儀、磁力計采集人體運動(dòng)姿態(tài)信息的基礎上，運用擴展卡爾曼濾波將數據進(jìn)行融合，得到人體腰部和腿部的角度信息，然后通過(guò)大量實(shí)驗建立與姿態(tài)的對應關(guān)系，采用這種方式可以利用加速度計與磁力計克服單獨采用陀螺儀引起的姿態(tài)角發(fā)散，另外利用陀螺儀可以克服由于振動(dòng)對于加速度計的影響與由于軟硬鐵磁對于磁力計的影響。

　　1系統整體設計方案

　　系統分為上位機子系統和下位機子系統，下位機子系統由電源模塊、2個(gè)iNEMO模塊、GPRS模塊和主控板組成，其中電源模塊給整個(gè)系統提供3.3V和5V的工作電壓，兩個(gè)iNEMO模塊分別固定在人體的腰部和腿部，完成對加速度計、磁力計、陀螺儀的信息采集，然后通過(guò)串口發(fā)送到主控板，主控板進(jìn)行卡爾曼濾波融合出腰部和腿部的角度，然后根據腰部和腿部的角度值完成姿態(tài)的檢測，最后GPRS模塊通過(guò)socket協(xié)議將姿態(tài)信息打包傳送到上位機，上位機實(shí)現遠程監控。

　　圖1系統整體設計方案

　　2數據融合原理

　　在慣性導航領(lǐng)域，求取姿態(tài)角的數學(xué)表達式叫做方向余弦矩陣，用于表示方向余弦矩陣有兩種方式：歐拉角與四元數。歐拉角的優(yōu)點(diǎn)是比較直觀(guān)，缺點(diǎn)是在俯仰角為正負90°時(shí)系統存在不穩定奇點(diǎn)。四元數的優(yōu)點(diǎn)是當俯仰角為正負90°時(shí)系統不受影響，缺點(diǎn)是不直觀(guān)，下面是它們之間的相互轉換公式。

　　歐拉角轉換成四元數

　　在程序中使用的是四元數，由于四元數不能直觀(guān)的表示輸出的角度，所以首先根據陀螺儀求取四元數，再將四元數轉換成姿態(tài)角。根據運動(dòng)體安裝的三軸陀螺儀，可以得到在運動(dòng)體坐標系下的三軸角速度( wx，wy，wz)，用三軸角速度更新四元數

　　其中，X(k)是k時(shí)刻的系統狀態(tài)，U(k)是k時(shí)刻對系統的控制量。A和B是系統參數。Z(k)是k時(shí)刻的測量值，H是測量系統的參數。W(k)和V(k)分別表示過(guò)程和測量的噪聲。

　　為了提高慣性導航儀的啟動(dòng)速度，需要利用歐拉角求取初始的四元數，首先根據運動(dòng)體上三軸加速度計輸出的三軸加速度( fx，fy，fz)，求取俯仰角θ與橫滾角φ

　　利用公式(3-5)和(3-7)可以完成對四元數的初始化工作。