一种运动物体的多维数据测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种运动物体的多维数据测量装置及方法，属于运动数据测量技术领域。本发明专利技术利用三轴陀螺仪采集被测物体的三轴角速度，利用三轴加速度计采集被测物体的三轴加速度，利用三轴磁力计采集磁场的强度和方向；对被测物体的加速度和角速度进行卡尔曼滤波以消除误差，进而结合磁力计采集的磁场强度和方向进行姿态解算得到角度；将消除误差后的加速度、角速度和角度传送给上位机。本发明专利技术通过卡尔曼滤波，融合加速度计和陀螺仪数据可以有效抑制因积分和漂移产生的误差带来的影响，并借助磁力计数据补偿提高数据准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种运动物体的多维数据测量装置及方法
本专利技术属于运动数据测量
，更具体地，涉及一种运动物体的多维数据测量装置及方法。
技术介绍
制约当今生物动力学及运动数据分析研究的最大瓶颈便是数据采集技术。因此，高精度电子测量装置的研制具有重要意义。鉴于传统的GPS定位装置具有体积大、精度低、成本高、普适性差的缺点，在涉及动力学研究的各学科领域，可控的高精度多维运动数据测量与采集装置亟待研发。高精度数据采集装置采用惯性导航系统，它是随着惯性传感器的发展而发展起来的一门导航技术，具有完全自主、不受干扰、输出信息量大、输出信息实时性强等优点，在军用航行载体和民用相关领域获得了广泛应用。惯导系统的精度、成本主要取决于陀螺仪和加速度传感器的精度和成本，尤其是陀螺仪，其漂移对惯导系统位置误差增长的影响巨大，而高精度的陀螺仪制造困难，成本很高，因此亟待寻求提高陀螺仪的精度，同时降低系统成本的有效方法。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷或迫切需求，本专利技术提供了一种运动物体的多维数据测量装置及方法，其目的在于，通过卡尔曼滤波融合加速度计和陀螺仪数据可以有效抑制因积分和漂移产生的误差带来的影响，并借助磁力计数据补偿提高数据精度。一种运动物体的多维数据测量装置，包括数据采集模块、数据处理模块和数据通信模块；所述数据采集模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计；三轴陀螺仪用于采集被测物体的三轴角速度，三轴加速度计用于采集被测物体的三轴加速度，三轴磁力计用于采集磁场的强度和方向；所述数据处理模块用于对被测物体的加速度和角速度进行卡尔曼融合滤波以消除误差，结合磁力计采集的磁场强度和方向进行角速度补偿，然后进行姿态解算得到角度；所述数据通信模块用于将消除误差后的加速度、角速度和角度传送给上位机。进一步地，所述数据处理模块包括卡尔曼滤波子模块、角速度校正子模块和姿态解算子模块；所述卡尔曼滤波子模块用于融合角速度和加速度进行卡尔曼滤波以消除误差；所述角速度校正子模块用于将采集的磁场记为若使X轴对准北方，那么by＝0，即设磁力计在参考坐标系中的输出为在参考坐标系XOY平面中的投影为bx，在参考坐标系XOY平面中的投影为则bz＝hz；将转换到自身坐标系中得到然后再将与磁力计自身坐标系输出做向量积求误差计算修正参数δ＝KPe+KI∫e,Kp为比例系数，KI为积分系数；修正角速度w＝wa+δ；姿态解算子模块，用于将修正后的角速度以四元数形式输出，依据四元数形式的角速度计算角度。进一步地，所述卡尔曼滤波子模块采用角速度积分得到的角度和陀螺仪常值偏差E作为状态向量。进一步地，修正后的角速度以四元数形式输出：[q0,q1,q2,q3]T为四元数，t为采样周期，Δt为采样间隔，wx,wy,wz分别是修正后的角速度w在x、y、z轴的分量。进一步地，所述姿态解算子模块用于将修正后的角速度以四元数形式输出[x,y,z,w]T＝[q0,q1,q2,q3]T，依据四元数形式的角速度计算角度：α:z轴偏航角，θ:y轴俯仰角，x轴滚转角。进一步地，所述数据通信模块采用蓝牙无线传输方式，蓝牙传输采用板载陶瓷天线。进一步地，还包括连接数据处理模块的存储模块。一种运动物体的多维数据测量方法，包括以下步骤；利用三轴陀螺仪采集被测物体的三轴角速度，利用三轴加速度计采集被测物体的三轴加速度，利用三轴磁力计采集磁场的强度和方向；对被测物体的加速度和角速度进行卡尔曼滤波以消除误差，进而结合磁力计采集的磁场强度和方向进行姿态解算得到角度；将消除误差后的加速度、角速度和角度传送给上位机。进一步地，所述对被测物体的加速度和角速度进行卡尔曼滤波以消除误差，进而结合磁力计采集的磁场强度和方向进行姿态解算得到角度的具体实现方式为；融合角速度和加速度进行卡尔曼滤波以消除误差；将采集的磁场记为若使X轴对准北方，那么by＝0，即设磁力计在参考坐标系中的输出为在参考坐标系XOY平面中的投影为bx，在参考坐标系XOY平面中的投影为则bz＝hz；将转换到自身坐标系中得到然后再将与磁力计自身坐标系输出做向量积求误差计算修正参数δ＝KPe+KI∫e,Kp为比例系数，KI为积分系数；修正角速度w＝wa+δ；将修正后的角速度以四元数形式输出，依据四元数形式的角速度计算角度。本专利技术的有益技术效果体现在：陀螺仪用于测量设备自身的旋转运动，但不能确定设备的方位。加速计测量设备的受力情况但用来测量设备相对于地面的摆放姿势，则精确度不高。磁力计可定位设备的方位，测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。本专利技术通过上述传感器，测量出运动个体的加速度、角速度、以及所处位置的磁场强度和方向，通过卡尔曼滤波，融合加速度计和陀螺仪数据可以有效抑制因积分和漂移产生的误差带来的影响，并借助磁力计数据补偿提高数据准确性。作为优化，该设备采用蓝牙无线传输模式，减少设备之间的连线，通过将设备附着与运动个体表面，随之运动，采用蓝牙低功耗模式，耗电量少，在同规格独立电源供电情况下，续航时间久。同时，若超出范围或通讯收到影响时，可采用离线模式，将数据存储于内部SRAM，记录、传输方式可靠。附图说明图1为本专利技术运动物体的多维数据测量装置实例结构图；图2为本专利技术测量流程图；图3为本专利技术上位机接收数据显示的效果图；具体实施方式为了使本专利技术的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本专利技术进行进一步详细说明。图1给出本专利技术运动物体的多维数据测量装置结构图，包括：包括数据采集模块、数据处理模块和数据通信模块。所述数据采集模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和角度解算模块；三轴陀螺仪用于采集被测物体的三轴角速度，三轴加速度计用于采集被测物体的三轴加速度，三轴磁力计用于采集磁场的强度和方向。数据处理模块对被测物体的加速度和角速度进行卡尔曼滤波以消除误差，并结合磁力计采集的磁场强度和方向对角速度进行补偿，通过补偿后的角速度更新四元数，然后进行姿态解算得到角度。数据通信模块用于将消除误差后的加速度、角速度和角度传送给上位机。数据处理模块包括卡尔曼滤波子模块、角速度矫正子模块和角度解算模块。下面对各子模块详细说明。(1)卡尔曼滤波子模块加速度计的输出实际包括运动方向的加速度和重力加速度分量的叠加。这些干扰信号叠加在测量信号中会使输出信号无法得出准确的角度，在测量时，输出的结果在实际倾角附近波动。同时加速度计输出和陀螺仪输出是互相弥补的关系：加速度计可以克服陀螺仪输出零点受温度影响的缺陷，使积分输出信号的误差大大减少，而陀螺仪则可以减少加速度计输出噪声，大大的低了静态输出噪声。为了得到所需要的准确角度数据需要融合MPU6050的陀螺仪数据，利用陀螺仪可以测得运动个体的角速度，进而对角速度积分可以获得角度，但是这里如果只通过积分运算获得角度数据，由于角速度信号可能存在的微小偏差和漂移经过积分运算之后逐渐累积，随着时间的推移，测得的数据误差将越来越大，最后无法得到可用的数据。为了消除这个误差，在此采用卡尔曼滤波方法。卡尔曼滤波有两类方程：预测方程和更新方程。预测方程根据之前的状态和控制量预测当前状态；更新方程表示相信传感器数据多些还是相信总体估计值多些(由卡尔曼增益Kg决定)。滤波器的工作原理为：根据预测方程预测当前状态并用更新方程检测预测结果。预测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运动物体的多维数据测量装置，其特征在于，包括数据采集模块、数据处理模块和数据通信模块；所述数据采集模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计；三轴陀螺仪用于采集被测物体的三轴角速度，三轴加速度计用于采集被测物体的三轴加速度，三轴磁力计用于采集磁场的强度和方向；所述数据处理模块用于对被测物体的加速度和角速度进行卡尔曼融合滤波以消除误差，结合磁力计采集的磁场强度和方向进行角速度补偿，然后进行姿态解算得到角度；所述数据通信模块用于将消除误差后的加速度、角速度和角度传送给上位机。

【技术特征摘要】
1.一种运动物体的多维数据测量装置，其特征在于，包括数据采集模块、数据处理模块和数据通信模块；所述数据采集模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计；三轴陀螺仪用于采集被测物体的三轴角速度，三轴加速度计用于采集被测物体的三轴加速度，三轴磁力计用于采集磁场的强度和方向；所述数据处理模块用于对被测物体的加速度和角速度进行卡尔曼融合滤波以消除误差，结合磁力计采集的磁场强度和方向进行角速度补偿，然后进行姿态解算得到角度；所述数据通信模块用于将消除误差后的加速度、角速度和角度传送给上位机。2.根据权利要求1所述的运动物体的多维数据测量装置，其特征在于，所述数据处理模块包括卡尔曼滤波子模块、角速度校正子模块和姿态解算子模块；所述卡尔曼滤波子模块用于融合角速度和加速度进行卡尔曼滤波以消除误差；所述角速度校正子模块用于将采集的磁场记为若使X轴对准北方，那么by＝0，即设磁力计在参考坐标系中的输出为在参考坐标系XOY平面中的投影为bx，在参考坐标系XOY平面中的投影为则bz＝hz；将转换到自身坐标系中得到然后再将与磁力计自身坐标系输出做向量积求误差计算修正参数δ＝KPe+KI∫e,Kp为比例系数，KI为积分系数；修正角速度w＝wa+δ；姿态解算子模块，用于将修正后的角速度以四元数形式输出，依据四元数形式的角速度计算角度。3.根据权利要求1或2所述的运动物体的多维数据测量装置，其特征在于，所述卡尔曼滤波子模块采用角速度积分得到的角度和陀螺仪常值偏差E作为状态向量。4.根据权利要求2所述的运动物体的多维数据测量装置，其特征在于，修正后的角速度以四元数形式输出：[q0,q1,q2,q3]T为四元数，t为采样周期，Δt为采样间隔，wx,wy,wz分别是修正后的角速度w在x、y、z轴的分量。5.根据权利要求4所述的运动物体的多维数据测量与...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海涛，陈都鑫，肖颖，朱力军，徐博文，朱桃，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42