基于ＳＴＭ３２的步行者航位推算装置设计 - 全文

　　基于便携性与实用性考虑，提出一种新的步行者航位推算装置设计。使用三维加速度计与电子罗盘集成芯片ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ和陀螺仪集成芯片ＭＰＵ３０５０对步行者的实时运动信息进行采集，采用具有ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核的ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６单片机收集传感器数据并对数据进行航位推算处理，将步行者航迹信息显示于ＴＦＴＬＣＤ上。实验证明，该装置具有较高的推算精度，能满足实际应用需求。

　　１、系统组成与工作原理

该步行者航向推算装置主要由三维传感器模块、数据转换模块与处理模块组成，具体的组成框图如图１所示。三维传感器模块上分为三轴加速度计与电子罗盘集成芯片ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ、陀螺仪集成芯片ＭＰＵ３０５０，以及用于数据处理的单片机ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６。实际工作时，三轴传感器模块置于步行者腰间，三维加速度计用于采集前左上三个方向上的加速度，用于计算模块的俯仰角与倾斜角，以及步行者的步数统计与步幅估计；电子罗盘采集步行者实时航向角数据；陀螺仪测出单位时间内三轴角速度以校正计算出的俯仰角与倾斜角；单片机负责对传感器的原始数据进行转换处理，采用串口与数据处理模块进行通信。数据处理模块核心也采用了单片机ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６，在与三维传感器模块串口通信的同时，将航位推算所需的数据通过ＦＡＴ３２文件系统存于ＳＤ卡中。显示模块采用的是ＴＦＴＬＣＤＩＬＩ９３２０，当步行者需要查看当前的航位信息时，单片机可通过ＦＡＴ３２文件系统从ＳＤ卡中调出原始数据，进行航位推算处理，最终将步行者的航迹显示于ＴＦＴＬＣＤ上。

　

　　图１系统组成框图

　　２、硬件设计

　　２．１、主控芯片及外围电路设计

　　主从单片机都采用ＳＴ公司生产的具有ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核的工业级控制芯片ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６，它具有７２ＭＨｚ时钟主频，内部ＲＯＭ存储容量为１２８ＫＢ，ＲＡＭ存储容量为２０ＫＢ。它具有８个定时计数器，３个ＳＰＩ、２个Ｉ２Ｃ总线、３个ＵＡＲＴ、１个ＵＳＢ、１个ＣＡＮ总线等通信端口，这些通信端口完全能满足本系统在设计过程中的需要。

　　ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６芯片由３．３Ｖ电压供电，而外部电源为５Ｖ电池，因此采用降压芯片ＡＭＳ１１１７－３．３，它能将输出电压降低并且稳定在３．３Ｖ，精度为１％。

　　２．２、三维传感器模块设计

　　ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ芯片可在２．１６～３．６Ｖ低电压下正常工作，其内置三轴加速度计，量程为±２ｇ～±１６ｇ。电子罗盘量程可为±１．３～±８．１ｇａｕｓｓ，单片机通过ＳＣＬ、ＳＤＡ引脚与其进行Ｉ２Ｃ总线通信，编程寄存器ＣＴＲＬ＿ＲＥＧ４内容可设置三轴加速度计量程，编程寄存器ＣＲＢ＿ＲＥＧ＿Ｍ内容可设置电子罗盘量程，其外围电路如图２所示。

　

　　图２ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ外围接口原理图

　　ＭＰＵ３０５０能在２．１～３．６Ｖ低电压下正常工作，其内置的陀螺仪可测出三轴方向上±２５０～±２０００°／ｓ的角位移，通过编程其寄存器ＤＬＰＦ＿ＦＳ可以选择陀螺仪工作的量程，同时单片机通过Ｉ２Ｃ总线，可从Ｘ＿ＯＦＦＳ＿ＵＳＲＨ／Ｌ、Ｙ＿ＯＦＦＳ＿ＵＳＲＨ／Ｌ、Ｚ＿ＯＦＦＳ＿ＵＳＲＨ／Ｌ这６个数据寄存器读出三轴原始数据，其外围电路如图３所示。

　　

　　图３ＭＰＵ３０５０外围接口原理图

　　２．３、数据存储及显示模块设计

负责航位推算的主单片机与三维传感器模块上的从单片机通过串口进行通信，它们被设置为相同的波特率。由于ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６的内置ＲＡＭ容量只有２０ＫＢ，而航位推算过程中使用的数据容量远大于其内存容量，所以采用ＦＡＴ３２文件系统，把主单片机接收的数据存入ＳＤ卡中，单片机通过ＳＰＩ接口存入或读出数据，数据存储模块的原理图如图４所示。

　

　　图４数据存储模块原理图

　　显示模块采用了Ｉｌｉｔｅｋ公司生产的ＴＦＴＬＣＤＩＬＩ９３２０，分辨率为３２０×２４０，正常工作电压为３．３Ｖ，采用１６位双向数据线，单片机通过ＷＲ引脚向ＴＦＴＬＣＤ里写入数据，通过ＲＤ引脚读出数据，显示模块的原理图如图５所示。

　　

　　图５显示模块原理图

　　３、软件设计

　　３．１、航迹推算原理

　　步行者的运动通常可以认为是二维运动［４］，步行者一个步伐周期内的两个落脚点间的连线可以认为是直线，数据采样时间为一个步伐周期时，已知步行者上一采样周期末的方位信息与本次采样周期内步伐长度与航向角信息，可以推算出本次采样周期末步行者的方位信息。以二维ｘ－ｙ坐标平面表示，设步行者初始时刻的方位为（ｘ０，ｙ０），任意时刻ｔ的方位为（ｘｔ，ｙｔ），步行者每个采样周期内的步长为Ｓ，航向角为Ａ，则按照一个步伐周期Ｔ内采样，根据递推原则，任意时刻ｔ步行者的方位如下：

　　

　　３．２、航向角计算

　　由三轴加速度计测出的前左上三个方向上的加速度数Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ可以计算出三维传感器模块的俯仰角（以θ１表示）和倾斜角（以θ２表示）为：

　　

　　式中的Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ为经过最小二乘法［６］校正后的三轴加速度值，由于传感器模块置于步行者腰间，步行者在走动的时候不可避免地引入振动干扰，造成俯仰角与倾斜角解算误差，因此采用互补滤波，融合陀螺仪数据，降低因振动干扰带来的解算误差。设陀螺仪经过互补滤波算法处理后，三轴的数据分别为Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ，融合后三个方向上的加速度为Ａ′ｘ、Ａ′ｙ、Ａ′ｚ，给三个方向上加速度赋予的权重为ＰｘＡ、ＰｙＡ、ＰｚＡ，给陀螺仪三轴数据的权重为ＰｘＧ、ＰｙＧ、ＰｚＧ，则可以用下式表示：

　　

　　4、测试结果及分析

　　实地测试结果如图６所示，测试场地为学校内部的标准田径场，田径场包含的两条直道一条为东西走向，另一条为西东走向，测试的时候选取标准田径场的第５跑道，步行实际长度为４３０ｍ，实际步数为５６０步，经航位推算测得的步数为５８７步，测得的步行距离为４２８．５ｍ，步数统计相对误差为４．８％，距离统计相对误差小于１％。与实际路线相比，最大偏移为５ｍ，出现在东西走向的直线跑道上，偏移区间长度为８５ｍ，航向角测得的误差在±２°～±４°以内，说明以上方法设计的步行者航位推算装置有较高的精确性、实时性与可靠性，能够满足实际应用需求。

　　

　　　　5、结 语

　　本文介绍了基于ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６单片机的步行者航位推算装置的硬件设计与采用的软件算法，完成了对多传感器数据的采集和航迹推算。采用单片机与微惯性器件搭建的系统，能满足小型化、实用性、便携性及易于搭建的应用要求，经过实地实验，其测算精度亦能满足实际需求。