基于MEMS惯性传感器的人体姿态检测系统的研究

摘要

随着姿态检测技术的不断发展，人们对人体姿态检测的关注也越来越多，人体姿态检测技术已经广泛应用到了医疗、影视、工业、体育等领域。在此背景下，本文研究并设计了一种基于MEMS惯性传感器的人体姿态检测系统。
　　首先，对人体姿态检测系统进行总体设计，主要包括对姿态检测系统的硬件结构、软件结构以及人体姿态解算算法的设计。系统的硬件结构设计主要包括数据采集与处理模块和数据接收模块的设计，系统软件结构设计主要包括数据采集、数据处理、数据通信的设计，人体姿态解算算法主要包括数据融合算法、滤波算法和姿态更新算法的设计。
　　其次，根据人体姿态检测系统的需求，确定系统整体硬件电路的设计以及元器件的选取，整个系统分为三个部分:数据采集与处理模块、数据接收模块和计算机。对系统的各个模块进行软件设计，主要包括:数据采集与处理模块的初始化设计、数据接收模块的初始化设计、数据的采集程序设计、无线通信程序设计和数据接收模块与计算机的数据通信设计。
　　然后，对姿态解算中用到的惯性导航理论进行研究，并对人体姿态解算算法进行研究，算法第一步完成人体姿态初始对准，第二步采用基于互补滤波的数据融合算法进行数据融合，第三步采用四元数法对姿态进行更新，人体姿态检测系统会不断地解算出人体的当前姿态。
　　最后，对姿态检测系统进行仿真与调试，对整个人体姿态检测系统的性能进行评价，对不足之处合理调整以便达到较好的效果，结果显示系统能实时准确地检测人体的姿态。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 姿态检测技术的国内外发展状况

1．3 课题研究的主要内容

1．4 本文的工作安排

2 人体姿态检测系统总体设计

2．1 系统需求及主要功能

2．2 系统硬件总体设计

2．2．1 数据采集与处理模块硬件结构

2．2．2 数据接收模块硬件结构

2．3 系统软件总体设计

2．3．1 数据采集与处理模块软件结构设计

2．3．2 人体姿态解算软件结构设计

2．3．3 数据接收模块软件结构设计

2．4 本章小结

3 人体姿态检测系统的硬件设计

3．1 数据采集与处理模块设计

3．1．1 单片机最小系统设计

3．1．2 MEMS惯性传感器模块设计

3．1．3 无线射频模块设计

3．1．4 电源模块设计

3．1．5 JTAG下载调试模块设计

3．2 数据接收模块设计

3．2．1 单片机最小系统设计

3．2．2 无线射频模块设计

3．2．3 RS232串口模块设计

3．2．4 电源模块设计

3．2．5 JTAG下载调试模块设计

3．3 本章小结

4 人体姿态解算算法设计

4．1 捷联惯性导航技术简介

4．2 导航中的坐标系及坐标转换

4．2．1 参考坐标系

4．2．2 坐标系的确定

4．2．3 姿态角定义

4．2．4 基于坐标系的坐标变换

4．3 捷联姿态算法

4．3．1 余弦矩阵法

4．3．2 欧拉角法

4．3．3 四元数法

4．4 人体姿态解算算法流程设计

4．5 人体姿态初始对准

4．5．1 载体初始俯仰角和横滚角求解

4．5．2 载体初始偏航角求解

4．5．3 初始化四元数求解

4．6 基于滤波算法的数据融合

4．6．1 互补滤波器原理

4．6．2 基于互补滤波的数据融合算法

4．7 基于四元数法的姿态更新算法

4．8 本章小结

5 人体姿态检测系统的软件设计

5．1 系统软件设计流程

5．2 数据采集与处理模块初始化设计

5．2．1 MSP430F5310单片机系统初始化

5．2．2 MPU9150惯性传感器初始化

5．2．3 nRF24L01射频初始化

5．3 数据接收模块初始化设计

5．3．1 MSP430F5438A单片机系统初始化

5．3．2 UARTx串口初始化

5．4 数据采集软件设计

5．4．1 I2C串行通信

5．4．2 数据采集程序设计

5．5 无线通信软件设计

5．5．1 SPI串行通信

5．5．2 无线射频数据收发程序设计

5．6 串口通信软件设计

5．6．1 RS232异步通信

5．6．2 单片机与计算机通信协议设计

5．6．3 RS232串口通信程序设计

5．7 本章小结

6 人体姿态检测系统的仿真与调试

6．1 系统仿真及分析

6．1．1 系统静态仿真与分析

6．1．2 系统动态摇摆仿真与分析

6．2 系统调试

6．2．1 数据采集与处理模块和数据接收模块的调试

6．2．2 无线通信的调试

6．2．3 系统联调

6．3 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录A