毕业设计(论文)-物体运动轨迹实时监测系统设计Word文档格式.docx
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职 称:
副教授
√
题目类型:
理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发
2016年5月20日
摘 要
随着科学技术的不断发展,物体运动轨迹实时监测系统在导航系统、人机交互、游戏控制等领域具有广阔应用。
传统的方法,如激光追踪系统,或者是运用高精度的加速度传感器、激光陀螺仪等,这些设备过于复杂,成本高。
本文基于MPU6050六轴加速度计陀螺仪传感器的运动轨迹检测系统具有成本低、易携带、体积小的特点。
本论文以单片机STM32F103C8T6为核心控制器,通过MPU6050得到的加速度,加速度二次积分得到位移,从MPU6050 DMP直接读取四元数和欧拉角来校准在重力加速度在二维空间中对x,y轴的影响,通过IIC总线将数据由MPU6050传送给单片机STM32F103C8T6将数据进行处理,并通过蓝牙串口将数据传输给安卓手机,通过安卓手机APP建立二维坐标系,并将得到的数据在二维坐标系中打点来显示轨迹。
本论文中运用单片机C语言来编写程序,从MPU6050得到的加速度通过均值校准法来减少外界对加速度计的干扰,经过积分后得到的位移值通过分解成一个数组来发送具体字节数,来保障发送给手机的数据准确性。
当手机APP接收到单片机发来的数据,通过分隔符将两个数据解析成一个列表,通过提取列表中的每一项,来将每个物体运动轨迹数据显示在APP上,并在APP上打点显示,若打的点超出APP坐标轴的范围,手机将自动震动报警。
本次设计的物体运动轨迹监测系统,能够检测出物体的运动轨迹,经过测试在短时间内误差在1cm左右,且当物体运动轨迹超出APP坐标系的量程,手机将震动报警,且物体运动轨迹数据在0.5s更新一次,大致实现了毕业设计的要求。
关键词:
运动轨迹实时监测;
加速度计;
陀螺仪;
安卓手机APP;
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology.Themonitoringsystemofreal-timetrajectoryinnavigationsystem,human-computerinteraction,gamecontrolhaveawiderangeofapplications.Traditionalmethods,forexample,lasertrackingsystem,usinghighprecisionaccelerationsensor,lasergyroscopeandsoon.Theseequipmentistoocomplexandhighcost.Inthispaper,themonitoringsystemofreal-timetrajectorybasedonMPU6050whichissixaxisaccelerometergyroscopesensor’sadvantagesislowcost,easytocarry,smallvolumeandsoon.
STM32F103C8T6MCUasthecorecontrollerinthispaper,thedisplacementisobtainedbyquadraticintegralMPU6050getacceleration,fromMPU6050DMPdirectlyreadquaternionandeulerAngletocalibrationintheaccelerationofgravityinthetwo-dimensionalspaceofx,yaxis,theeffectofthedatathroughtheIICbusSTM32F103C8T6controlledbyMPU6050sentthedataprocessing,andthroughbluetoothserialtransmissiontotheandroidmobilephone,throughtheandroidAPPtoestablishtwo-dimensionalcoordinatesystem,andwillgetdatadotinatwo-dimensionalcoordinatesystemtodisplaythetrajectory.
ThispaperusesmicrocontrollerClanguagetowriteprograms,fromMPU6050accelerationbyaveragecalibrationmethodtoreducetheoutsidedisturbancetotheaccelerometer,afterthedisplacementvalueresultingfromtheintegralbydecompositionintoanarraytosendaspecificnumberofbytes,toensuredataaccuracysenttomobilephones.
WhenthephoneAPPtoreceivedatafromthemicrocontroller,throughtheseparatorwillbetwodataparsedintoalist,byextractingeachitemonthelist,toeachobjecttrajectorydatadisplayontheAPP,anddotontheAPPshowsthatifadozenpointsbeyondthescopeofAPPaxis,thephonewillautomaticallyvibrationalarm.
thedesignofhemonitoringsystemofreal-timetrajectoryinnavigationsystemcandetectthemovementoftheobject,aftertestinginashortperiodoftimeerrorin1cm,andwhentheobjectmovementbeyondtherangeofAPPcoordinatesystem,cellphonewillvibratealarm,andobjecttrajectorydataupdatedoncein0.5s.
Keywords:
Themonitoringsystemofreal-timetrajectory;
accelerometer;
gyroscope;
androidAPP;
目 录
1引言 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3惯性导航的发展趋势 2
1.4论文的章节安排 2
2设计任务及要求 3
2.1设计任务 3
2.1.1课题内容 3
2.1.2主要任务 3
2.2设计要求 4
3系统设计理论依据及方案论证 4
3.1系统设计理论依据 4
3.2方案论证 5
3.3软件算法方案选择 6
3.3.1方案一 6
3.3.2方案二 7
3.3.3方案三 8
3.4安卓APP开发工具的选择 8
3.4.1方案一 8
3.4.2方案二 8
4硬件系统设计 9
4.1单片机最小系统控制部分 9
4.1.1芯片的选择 9
4.1.2单片机最小系统电路 10
4.2蓝牙模块电路 10
3
4.3稳压电源电路 11
4.4MPU6050模块电路 12
4.5运动轨迹监测系统工作过程 13
4.5.1灵敏度的影响 14
4.5.2稳定性分析 14
5系统软件设计 14
5.1软件设计基本思想 14
5.2各个模块的设计 15
5.2.1系统初始化程序 15
5.2.2MPU6050初始化与数据读取程序 16
5.2.3均值校准程序 17
5.2.4算法运算程序 18
5.2.5数据处理程序 19
5.2.6中断服务程序 19
5.3手机APP软件的设计与分析 20
5.3.1UI的设计 21
5.3.2逻辑的设计 22
6系统调试 26
6.1硬件系统调试 26
6.1.1单片机STM32F103C8T6最小系统模块的硬件调试 26
6.1.2蓝牙模块的硬件调试 27
6.1.3MPU6050模块的硬件调试 28
6.2软件调试 29
6.3调试结果分析 34
7系统测试 34
7.1系统测试的方案与过程 34
7.1.1系统测试所需设备与工具 34
7.1.2系统测试方案与过程 34
8 结论 36
谢 辞 38
参考文献 39
附 录 40
附录1运动轨迹实时监测系统的原理图 40
附录二运动轨迹实时监测系统的pcb图顶层 41
附录三运动轨迹实时监测系统的pcb图底层 41
附录五APP程序代码块图(部分代码过长被折叠) 43
附录六主程序的编写 44
MPU6050的初始化函数 48
求欧拉角的函数 49
1引言
1.1研究背景及意义
物体运动现象一直都是无处不在的,而人类也在随着科学技术的不断发展通过各种技术来监测物体运动轨迹。
监测运动轨迹人们一般从外部来观测,通过全球定位系统(
GlobalPositioningSystem,GPS)[1]进行实时定位、导航与运动轨迹监测。
全球定位系统是由空间部分、地面控制系统和用户设备三个部分组成。
空间部分包括颗卫星,分布在条交点互隔度的轨道面上,地面控制系统由监测站、主控制站、地面天线所组成,负责收集卫星传回的信息。
用户设备部分即 GPS接收机。
系统庞大复杂,价格昂贵,运行和维护的成本高,但实际效果并不是很好,例如手机GPS定位的平面精度一般在几米至几十米,只能满足用户日常生活的基本的定位要求,卫星定位也有其自身的缺点。
GPS信号在受到建筑物的遮挡,如地下室、隧道、高密度建筑群时,会导致GPS接收机不能捕捉到卫星信号,从而不能定位或定位误差很大,定位效果不理想[2]。
也因此,当我们处于 GPS盲区时,我们需要通过其他的方法来辅助定位即监测运动轨迹。
在体育赛事中经常运用到的鹰眼技术也是一种监测运动轨迹的方法,它能够帮助裁判克服球飞速运行状态下所观察不到的盲区,帮助裁判做出公正且令人信服的判断。
“鹰眼”的正式名称是“即时回放系统”,它的技术原理并不复杂,只是十分精密。
这个系统由8个或者10个高速摄像头、四台电脑和大屏幕组成。
首先,借助电脑的计算把比赛场地内的立体空间分隔成以毫米计算的测量单位;
然后,利用高
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