基于MEMS加速度传感器的空间运动轨迹追踪系统设计与实现

摘要

随着计算机科学的不断发展，人机交互技术越来越受到人们的重视，空间定位与运动轨迹追踪系统将作为动作检测与输入设备被广泛应用于虚拟现实人机交互领域。目前，用于虚拟现实人机交互过程的空间定位与轨迹追踪系统主要有磁追踪系统、激光追踪系统和基于三维计算机视觉的定位系统。这些追踪系统具有精度高等优点。然而，它们的测量过程却都受外界参考系限制，导致测量量程受基准参考系制约，不适合于三维空间自由追踪与动作模式识别。
　　 为了克服该缺陷，本论文依据加速度积分计算原理和坐标变换方法，利用高精度三轴MEMS 加速度传感器SCA3000-D01和陀螺仪ADIS16355 设计了一套新的三维空间自由定位与轨迹追踪系统。与此同时，本论文对系统中的加速度数据采集与发送电路、数据接收电路分别做了详细设计；分别详述了天线电路、电源稳压电路以及电路PCB 板设计要点。该系统具有电路简单、体积小、功耗低、易维护等优点，在精度要求相对较低的人机互动领域具有重要的应用价值。
　　 此外，为了提高该系统的测量精度与工作效率，本论文对系统选用的加速度传感器SCA3000-D01 进行了详细的误差分析，并分别针对各类误差设计了相应的滤波与处理算法。针对系统随机噪声，本论文设计了一种基于双状态预测的卡尔曼滤波器；针对由外界环境温度等因素引起的加速度传感器非线性误差，本论文依据其非线性特性曲线设计了相应的加速度修正算法；针对由加速度数据传输丢包、重传引起的计算误差，本论文中采用了停止等待协议，实现了系统移动端与基站端之间的可靠通信。最后，论文中还设计了速度位移重建算法对加速度积分结果进行重建，使其结果满足实际空间运动理论模型。
　　 论文最后叙述了该系统的实验室制作与实验过程，并展示了部分实验结果。实验结果分析表明该系统空间轨迹位移测量误差低于10%，可满足人机交互过程中动作识别需要。此外，依据实验结果及其分析结果，论文对该系统提出了改进意见并对将来研究工作进行了展望。