物聯(lián)網(wǎng)與云計算課程大作業(yè)

1、大連理工大學(xué)本科生設(shè)計 空間軌跡追蹤系統(tǒng) 學(xué) 院（系）： 軟件學(xué)院 專 業(yè)： 嵌入式 學(xué) 生 姓 名： 顏飛龍 學(xué) 號： 201392241 完 成 日 期： 2015年12月27日 研究背景：在計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，人們對空間軌跡追蹤和智能人體動作識別越來越重視。如今大型的導(dǎo)航系統(tǒng)如美國的GPS、中國的北斗、歐洲伽利略等都提供的民用的接口用來導(dǎo)航和軌跡追蹤。然而，在人機(jī)交互領(lǐng)域以及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域常用的軌跡追蹤的方法大部分是通過超聲波、激光、影像恢復(fù)等手段，這些方法有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是這些設(shè)備的精度可以達(dá)到非常高，某些激光測距的精度可以達(dá)到微米級，但是它們也有缺點(diǎn)。首先激光受到激光光照范圍的

2、限制，影像恢復(fù)受到攝像機(jī)的擺放地點(diǎn)以及可拍攝的范圍的限制。另外的缺點(diǎn)就是造價成本太高，不適合推廣使用。此外，這些設(shè)備的體積大部分都比較大，一般都是固定在某個位置檢測移動物體的軌跡。這樣就大大影響了這些設(shè)備的使用范圍和場景。在計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，我們?yōu)槭裁床缓煤美眠@科技的春天來設(shè)計一套更加便捷，適用范圍更廣，造價更便宜的空間軌跡追蹤系統(tǒng)呢？為此，本論文提出另外一種可用來實(shí)現(xiàn)軌跡追蹤的系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要通過攜帶在目標(biāo)物體上的可移動節(jié)點(diǎn)來檢測被測目標(biāo)當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)，然后將得到數(shù)據(jù)發(fā)送到可移動設(shè)備如：手機(jī)、平板電腦等，也可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到筆記本電腦上通過一系列的處理計算得出目標(biāo)物體的運(yùn)動軌跡。由于

3、本系統(tǒng)是可攜帶的，也就突破了場景和范圍對系統(tǒng)的限制。雖然測量的精度比不上激光，影像恢復(fù)等，但是，本系統(tǒng)造價低，體積小，應(yīng)用范圍廣，系統(tǒng)的維護(hù)成本低，對于那些對精度的要求不是太高的場景有十分重要的應(yīng)用價值。一：空間軌跡追蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計1.1:系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能接下來是對系統(tǒng)的詳細(xì)介紹。硬件系統(tǒng)包括移動端和基站端兩個組成部分。移動端主要實(shí)現(xiàn)加速度信號采集，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波和信號發(fā)送功能；基站端主要實(shí)現(xiàn)信號接收以及信號處理功能。同時，為了方便數(shù)據(jù)傳送和方便使用，系統(tǒng)采用無線通信模式。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架圖如下圖1-1所示：圖1-1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖移動端主要是由加速度傳感器，陀螺儀，處理器和RF發(fā)送

4、電路組成。在這一部分，加速度傳感器和陀螺儀分別將得到的數(shù)據(jù)傳送給處理器，在經(jīng)過處理器的打包，簡單的處理之后，由RF發(fā)送電路發(fā)送到基站端進(jìn)行計算處理。圖1-2：移動端圖基站端主要由RF無線接收電路，處理器和計算機(jī)串口通信電路組成。基站端的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-3所示。圖1-3：基站端圖1.2：主要硬件介紹由于時間的限制，此次使用的移動端節(jié)點(diǎn)是之前設(shè)計并制作好的，接下來主要是簡單介紹各個硬件：1.2.1：加速度傳感器傳感器是的一個重要組成部分。本次采用的一種壓力傳感器，其主要參數(shù)如下：1、 供電電壓：2.35V-2.7V，數(shù)字I/O電壓：1.7V-2.7V2、 測量范圍：土2g3、 數(shù)據(jù)接口：SPI，

5、I2C4、 內(nèi)置緩存器存儲每軸64次采樣存儲，有中斷信號輸出5、 運(yùn)動和自由落體探測觸發(fā)中斷輸出1.2.2：陀螺儀陀螺儀是一種被用于測量物體選擇速度或者旋轉(zhuǎn)角度的儀器。陀螺儀一般是根據(jù)物體在運(yùn)動時產(chǎn)生的震動的原理來得出旋轉(zhuǎn)角。本次使用的陀螺儀具體參數(shù)與特性如下：1.2.2：RF無線收發(fā)芯片射頻（Radio Frequency）簡稱RF。射頻即為射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。RF收發(fā)電路是工作在射頻頻段的無線通信電路，通常包括信號發(fā)送和信號接收兩個組成部分。nRF24E1收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或者是SPI總線與其它模塊通信。該芯片有低速數(shù)據(jù)輸入，高速數(shù)據(jù)輸出的特點(diǎn)，特別適合實(shí)時的采集

6、數(shù)據(jù)發(fā)送。此外，它還有載波檢測功能，能很好地避免在同一工作頻率下不同發(fā)射器數(shù)據(jù)包之間的碰撞。1.3：電路設(shè)計基于加速度傳感器的空間追蹤系統(tǒng)硬件電路主要由兩部分組成，分別為加速度采集發(fā)送電路和數(shù)據(jù)接收電路。加速度采集發(fā)送電路是移動端電路，數(shù)據(jù)接收電路是基站端電路。1.3.1：加速度采集和發(fā)送電路設(shè)計加速度采集與發(fā)送系統(tǒng) 即移動端，主要由三軸加速度傳感器SCA3000-D01、三軸陀螺儀ADIS16355、數(shù)據(jù)處理與通信芯片nRF24E1、外部存儲器E2PROM等器件組成。如圖1-4所示圖1-4：移動端電路設(shè)計1.3.2：數(shù)據(jù)接收電路設(shè)計數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，即基站端由通信芯片nRF24E1、外部存儲器E

7、2PROM和串口通信芯片等器件組成，其電路原理圖如圖1-5所示圖1-5：接收端電路設(shè)計基站端射頻電路部分與移動端相同，它與移動端電路的主要差別是串口通信電路。 二：空間追蹤系統(tǒng)模型建立2.1：基于加速度積分運(yùn)算的空間軌跡追蹤我們知道，通過對移動物體的運(yùn)動加速度進(jìn)行兩次的積分就可以求得物體的運(yùn)動位移。在本系統(tǒng)中，我們使用加速度傳感器不斷檢測目標(biāo)物體的三維運(yùn)動加速度，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后不斷地對三組加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運(yùn)算，便求得目標(biāo)物體的瞬時運(yùn)動速度與在空間的各個方向上的位移，由此可以得出目標(biāo)物體在空間的運(yùn)動軌跡。圖2-1：速度-時間關(guān)系從時間t0時刻開始采樣，則根據(jù)積分原理，從時刻t0到時刻t，我

8、們可以通過下列公式得出連續(xù)時間域中位移s(t)，速度v(t)和加速度a(t)的計算關(guān)系：s (t ) = (t,t0) v(t )dt + s(t 0 ) (2-1)v(t ) = (t,t0) a (t )dt + v(t 0) (2-2)其中：s(t0)為系統(tǒng)0至t0時刻的位移，v(t0)為系統(tǒng)t0時刻的瞬時運(yùn)動速度。但是，由于加速度傳感器的輸出值為一組離散數(shù)據(jù)，不能用一般的積分運(yùn)算，令初始條件 s (t 0) = 0 ，則：由t1-t0=t2-t1=tn-tn-1=t，其中t為加速度傳感器采用時間間隔當(dāng)n>1時,在離散域中可以寫為： 當(dāng)n>1時由此可得，在n時刻，目標(biāo)物體在某

9、一個軸上的移動距離為：但是，當(dāng)n很大時，我們每當(dāng)計算一次Sn就不得不重復(fù)很多次之前的計算。為了簡化計算過程，可以采用迭代的方法：依據(jù)上式，可以利用V(n-1)和S(n-1)以及加速度a(n)和a(n-1)得出當(dāng)前的速度和位移。我們通過加速度傳感器可得到目標(biāo)物體在三維空間運(yùn)動加速度。追蹤過程中，可以知道目標(biāo)物體沿加速度傳感器X、Y、Z軸方向上的瞬時運(yùn)動速度分別為：通過在X、Y、Z軸上的速度進(jìn)行矢量相加，可求得在t時刻目標(biāo)物體在三維空間的瞬時運(yùn)動速度：同理：在t-t的時間里，目標(biāo)的位移為：t時刻目標(biāo)物體的空間坐標(biāo)為：（SXt, SYt, SZt）因此，在三維坐標(biāo)系中，通過連線t0，t1，t2，tn

10、 時刻的所有空間位置坐標(biāo)點(diǎn)便可得出目標(biāo)物體在空間的運(yùn)動軌跡。2.2：坐標(biāo)變換與消除重力影響當(dāng)物體在移動過程中時，重力加速度的影響是不可忽視的。我們的加速度傳感器是檢測目標(biāo)物體在某一時刻的各個方向上的加速度，其中肯定包含重力加速度在各個軸上的分量。而我們要計算出物體的準(zhǔn)確的加速度，我們需要通過算法來去除重力加速度。為此我們可以采用四元數(shù)變換的原理。設(shè)絕對坐標(biāo)系OXYZ，此坐標(biāo)系是物體在空間運(yùn)動時遵守的絕對坐標(biāo)系。我們的加速度傳感器X、Y、Z軸組成的坐標(biāo)系為相對坐標(biāo)系OXbYbZb如圖2-2所示：圖2-2：絕對坐標(biāo)系與相對坐標(biāo)系由此可得：其中C(b,n)為旋轉(zhuǎn)矩陣。上面的變換展現(xiàn)了絕對坐標(biāo)系與相對

11、坐標(biāo)系之間的關(guān)系。我們需要通過這兩個坐標(biāo)系之間的關(guān)系來去除重力加速度在各個軸上的分量。為此，我們需要求出旋轉(zhuǎn)矩陣中的、和，這地方我們采用用歐拉法。設(shè)坐標(biāo)系OXbYbZb相對坐標(biāo)系OXYZ的角速度向量為：那么我們可以知道目標(biāo)物體的加速度在坐標(biāo)系OXbYbZb 上的投影為：由此可得：上式即為歐拉微分方程，x、y、z為陀螺儀在各個單軸上的輸出分量。通過解此微分方程便可求出、和的值。所以重力加速度在加速度傳感器X、Y、Z軸的分量分別為：因此，當(dāng)目標(biāo)物體空間運(yùn)動存在空間翻轉(zhuǎn)時，我們需要從得到的加速度數(shù)據(jù)中，一一求出在X、Y、Z軸上的分量。再求出當(dāng)?shù)刂亓铀俣仍诟鱾€軸上的分量。去除重力加速度后的結(jié)果才是真

12、正的我們需要的目標(biāo)加速度。三：誤差分析和處理3.1：誤差分析任何的系統(tǒng)都會存在誤差，由于本追蹤系統(tǒng)采用的是通過對加速度傳感器傳到基站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再積分得到目標(biāo)物體在空間中的位移。這就導(dǎo)致：即使數(shù)據(jù)本身有很小的誤差，在經(jīng)過多次積分之后，誤差會變得越來越大，這就導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)果的不穩(wěn)定性。另外，加速度傳感器本身也有誤差，這誤差主要來自系統(tǒng)隨機(jī)噪聲，環(huán)境因素引起的誤差，還有加速度傳感器制造過程中工藝的誤差等等都可以造成系統(tǒng)結(jié)果的極大的偏差。另外，還有一種誤差主要是數(shù)據(jù)在傳輸過程中造成的。比如：數(shù)據(jù)包丟失，重傳等等也可以造成最后的計算結(jié)果的不準(zhǔn)確，所以在綜合以上對系統(tǒng)誤差的分析我們決定采用如圖3-1的

13、處理流程：圖3-1：誤差處理方案流程圖卡爾曼濾波器是用來處理系統(tǒng)隨機(jī)誤差的。使用基于雙狀態(tài)預(yù)測的卡爾曼濾波器對加速度傳感器傳出的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可以的到誤差均方較小的數(shù)據(jù)。由于外界因素的不穩(wěn)定性，我們需要對加速度傳感器傳出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。設(shè)計基于加速度傳感器非線性曲線的加速度數(shù)值修正算法進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償，減小數(shù)據(jù)非線性的誤差。對于計算誤差，我們通過對系統(tǒng)的速度和積分得到的位移結(jié)果重建。在我們建立的空間追蹤模型中，系統(tǒng)在追蹤開始前的瞬時加速度和位移是零，在系統(tǒng)結(jié)束工作時的瞬時加速度和位移也是零等條件，完全可以對位移的積分結(jié)果以及速度的積分結(jié)果進(jìn)行重建。在RF通信過程中，為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失、

14、重傳等錯誤造成系統(tǒng)結(jié)果結(jié)果不準(zhǔn)確的情況，我們決定在數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端采用停止等待通信協(xié)議。從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，有效的避免了由?shù)據(jù)包丟失、重傳等造成的加速度數(shù)據(jù)傳輸錯誤。對于誤差的處理，接下來主要介紹的是卡爾曼濾波器和可靠通信協(xié)議。另外的兩個處理方法在其他的系統(tǒng)中也多有涉及，因此在此不多贅述。3.2：卡爾曼濾波器卡爾曼濾波（Kalman filtering）是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計的算法。由于觀測數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響，所以最優(yōu)估計也可看作是濾波過程?？柭鼮V波不要求信號和噪聲都是平穩(wěn)過程的假設(shè)條件。對于每個時刻的系統(tǒng)擾動和觀

15、測誤差（即噪聲），只要對它們的統(tǒng)計性質(zhì)作某些適當(dāng)?shù)募俣?，通過對含有噪聲的觀測信號進(jìn)行處理，就能在平均的意義上，求得誤差為最小的真實(shí)信號的估計值。因此，自從卡爾曼濾波理論問世以來，在通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、航空航天、環(huán)境污染控制、工業(yè)控制、雷達(dá)信號處理等許多部門都得到了應(yīng)用，取得了許多成功應(yīng)用的成果。例如在圖像處理方面，應(yīng)用卡爾曼濾波對由于某些噪聲影響而造成模糊的圖像進(jìn)行復(fù)原。在對噪聲作了某些統(tǒng)計性質(zhì)的假定后，就可以用卡爾曼的算法以遞推的方式從模糊圖像中得到均方差最小的真實(shí)圖像，使模糊的圖像得到復(fù)原?？柭鼮V波器模型如下：其中：xk是系統(tǒng)狀態(tài)矩陣，k是系統(tǒng)噪聲，k是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣在噪聲環(huán)境下，測量方程

16、為：其中：vk為測量噪聲，H為測量矩陣估計誤差平均方差：卡爾曼濾波器估計模型：狀態(tài)預(yù)測模型：其中K為卡爾曼增益。將系統(tǒng)得到的加速度狀態(tài)加入到模型中后，得到：其中：Uk為加速度狀態(tài)，且添加狀態(tài)后時間更新方程：33狀態(tài)更新方程：卡爾曼濾波器模型如圖3-2所示圖3-2：卡爾曼濾波器模型3.3可靠通信協(xié)議在RF通信過程中，為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失、重傳等錯誤造成系統(tǒng)結(jié)果結(jié)果不準(zhǔn)確的情況，我們決定在數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端采用停止等待通信協(xié)議，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕行У谋苊饬擞蓴?shù)據(jù)包丟失、重傳等造成的加速度數(shù)據(jù)傳輸錯誤。停止等待協(xié)議概念如下：只有收到序號正確的確認(rèn)幀 ACKn 后，才更新發(fā)送狀態(tài)變量 V(

17、S)一次，并發(fā)送新的數(shù)據(jù)幀。接收端接收到數(shù)據(jù)幀時，就要將發(fā)送序號 N(S) 與本地的接收狀態(tài)變量 V(R) 相比較。若二者相等就表明是新的數(shù)據(jù)幀，就收下，并發(fā)送確認(rèn)。否則為重復(fù)幀，就必須丟棄。但這時仍須向發(fā)送端發(fā)送確認(rèn)幀 ACKn，而接收狀態(tài)變量 V(R) 和確認(rèn)序號 n 都不變。連續(xù)出現(xiàn)相同發(fā)送序號的數(shù)據(jù)幀，表明發(fā)送端進(jìn)行了超時重傳。連續(xù)出現(xiàn)相同序號的確認(rèn)幀，表明接收端收到了重復(fù)幀。發(fā)送端在發(fā)送完數(shù)據(jù)幀時，必須在其發(fā)送緩存中暫時保留這個數(shù)據(jù)幀的副本。這樣才能在出差錯時進(jìn)行重傳。只有確認(rèn)對方已經(jīng)收到這個數(shù)據(jù)幀時，才可以清除這個副本。具體實(shí)現(xiàn)如下：在接收端：(1) 等待。(2) 若收到由發(fā)送端發(fā)

18、過來的數(shù)據(jù)幀，則將其放入數(shù)據(jù)鏈路層的接收緩存。(3) 將接收緩存中的數(shù)據(jù)幀上交主機(jī)。(4) 向發(fā)送端發(fā)一信息，表示數(shù)據(jù)幀已經(jīng)上交給主機(jī)。(5) 轉(zhuǎn)到(1)在發(fā)送端：(1) 取一個數(shù)據(jù)幀。(2) 將數(shù)據(jù)幀送到數(shù)據(jù)鏈路層的發(fā)送緩存。(3) 將發(fā)送緩存中的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。(4) 等待。(5) 若收到由接收端發(fā)過來的信息(此信息的格式與內(nèi)容可由雙方事先商定好)，則從主機(jī)取一個新的數(shù)據(jù)幀，然后轉(zhuǎn)到(2)。四：空間軌跡追蹤系統(tǒng)論文結(jié)語這個項(xiàng)目主要是在實(shí)驗(yàn)室的時候和同學(xué)一起做的的一個創(chuàng)新項(xiàng)目，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和處理方面的主要是我和另外一位同學(xué)，我涉及數(shù)據(jù)處理方面比較多，所以在論文中對于數(shù)據(jù)處理算法以及誤差處理方面介紹的比較多。在整個系統(tǒng)中，最終要部分也就是具體的算法實(shí)現(xiàn)部分由于實(shí)驗(yàn)室的要求不能詳細(xì)的介紹，本文中介紹的主要是解決問題的方