基于iNEMO模块的姿态检测及数据传输系统设计
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2021-01-20
06:38:12
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基于基于iNEMO模块的姿态检测及数据传输系统设计模块的姿态检测及数据传输系统设计
近年来，MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、
电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、军事等领域中都有着十分广阔的应用前景，同时人体姿态检
测和信息融合技术在人体医学工程、健康监护等领域的研究也逐渐开展起来。 目前人体姿态检测的主要手
段有图像分析和加速度分析两种，图像分析的算法通过摄像捕捉人体运动姿态，经过一定的图像处理技术确定
人体的姿态，该方法需要在人体运动的区域安装摄像头，价格昂贵、具有一定的局限性；传统的加速度算法采
用SVM (Support Vector Machine) 算法对数据进行预处理，然后用KFD（Kernel Fis
近年来，MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、电力电子器
件等在航空、航天、汽车、生物医学、军事等领域中都有着十分广阔的应用前景，同时人体姿态检测和信息融合技术在人体医
学工程、健康监护等领域的研究也逐渐开展起来。
目前人体姿态检测的主要手段有图像分析和加速度分析两种，图像分析的算法通过摄像捕捉人体运动姿态，经过一定的图
像处理技术确定人体的姿态，该方法需要在人体运动的区域安装摄像头，价格昂贵、具有一定的局限性；传统的加速度算法采
用SVM (Support Vector Machine) 算法对数据进行预处理，然后用KFD（Kernel Fisher Discriminant）算法和k-NN(Nearest
Neighbour)算法进行判定，该方法计算量大、编程复杂。
本系统提出的算法主要是在加速度计、陀螺仪、磁力计采集人体运动姿态信息的基础上，运用扩展卡尔曼滤波将数据进行
融合，得到人体腰部和腿部的角度信息，然后通过大量实验建立与姿态的对应关系，采用这种方式可以利用加速度计与磁力计
克服单独采用陀螺仪引起的姿态角发散，另外利用陀螺仪可以克服由于振动对于加速度计的影响与由于软硬铁磁对于磁力计的
影响。
1 系统整体设计方案系统整体设计方案
系统分为上位机子系统和下位机子系统，下位机子系统由电源模块、2个iNEMO模块、GPRS模块和主控板组成，其中电
源模块给整个系统提供3.3V和5V的工作电压，两个iNEMO模块分别固定在人体的腰部和腿部，完成对加速度计、磁力计、陀
螺仪的信息采集，然后通过串口发送到主控板，主控板进行卡尔曼滤波融合出腰部和腿部的角度，然后根据腰部和腿部的角度
值完成姿态的检测，GPRS模块通过socket协议将姿态信息打包传送到上位机，上位机实现远程监控。
图
1
系统整体设计方案
2 数据融合数据融合原理原理
在惯性导航领域，求取姿态角的数学表达式叫做方向余弦矩阵，用于表示方向余弦矩阵有两种方式：欧拉角与四元数。欧
拉角的优点是比较直观，缺点是在俯仰角为正负90°时系统存在不稳定奇点。四元数的优点是当俯仰角为正负90°时系统不受影
响，缺点是不直观，下面是它们之间的相互转换公式。
欧拉角转换成四元数
四元数转换成欧拉角
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