基于便攜性與實(shí)用性考慮，提出一種新的步行者航位推算裝置設(shè)計(jì)。使用三維加速度計(jì)與電子羅盤集成芯片ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ和陀螺儀集成芯片ＭＰＵ３０５０對(duì)步行者的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行采集，采用具有ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３內(nèi)核的ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６單片機(jī)收集傳感器數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行航位推算處理，將步行者航跡信息顯示于ＴＦＴＬＣＤ上。實(shí)驗(yàn)證明，該裝置具有較高的推算精度，能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

　　１、系統(tǒng)組成與工作原理

該步行者航向推算裝置主要由三維傳感器模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊與處理模塊組成，具體的組成框圖如圖１所示。三維傳感器模塊上分為三軸加速度計(jì)與電子羅盤集成芯片ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ、陀螺儀集成芯片ＭＰＵ３０５０，以及用于數(shù)據(jù)處理的單片機(jī)ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６。實(shí)際工作時(shí)，三軸傳感器模塊置于步行者腰間，三維加速度計(jì)用于采集前左上三個(gè)方向上的加速度，用于計(jì)算模塊的俯仰角與傾斜角，以及步行者的步數(shù)統(tǒng)計(jì)與步幅估計(jì)；電子羅盤采集步行者實(shí)時(shí)航向角數(shù)據(jù)；陀螺儀測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)三軸角速度以校正計(jì)算出的俯仰角與傾斜角；單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，采用串口與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)處理模塊核心也采用了單片機(jī)ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６，在與三維傳感器模塊串口通信的同時(shí)，將航位推算所需的數(shù)據(jù)通過(guò)ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)存于ＳＤ卡中。顯示模塊采用的是ＴＦＴＬＣＤＩＬＩ９３２０，當(dāng)步行者需要查看當(dāng)前的航位信息時(shí)，單片機(jī)可通過(guò)ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)從ＳＤ卡中調(diào)出原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行航位推算處理，最終將步行者的航跡顯示于ＴＦＴＬＣＤ上。

　　圖１系統(tǒng)組成框圖

　　２、硬件設(shè)計(jì)

　　２．１、主控芯片及外圍電路設(shè)計(jì)

　　主從單片機(jī)都采用ＳＴ公司生產(chǎn)的具有ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３內(nèi)核的工業(yè)級(jí)控制芯片ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６，它具有７２ＭＨｚ時(shí)鐘主頻，內(nèi)部ＲＯＭ存儲(chǔ)容量為１２８ＫＢ，ＲＡＭ存儲(chǔ)容量為２０ＫＢ。它具有８?jìng)€(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，３個(gè)ＳＰＩ、２個(gè)Ｉ２Ｃ總線、３個(gè)ＵＡＲＴ、１個(gè)ＵＳＢ、１個(gè)ＣＡＮ總線等通信端口，這些通信端口完全能滿足本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的需要。

　　ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６芯片由３．３Ｖ電壓供電，而外部電源為５Ｖ電池，因此采用降壓芯片ＡＭＳ１１１７－３．３，它能將輸出電壓降低并且穩(wěn)定在３．３Ｖ，精度為１％。

　　２．２、三維傳感器模塊設(shè)計(jì)

　　ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ芯片可在２．１６～３．６Ｖ低電壓下正常工作，其內(nèi)置三軸加速度計(jì)，量程為±２ｇ～±１６ｇ。電子羅盤量程可為±１．３～±８．１ｇａｕｓｓ，單片機(jī)通過(guò)ＳＣＬ、ＳＤＡ引腳與其進(jìn)行Ｉ２Ｃ總線通信，編程寄存器ＣＴＲＬ＿ＲＥＧ４內(nèi)容可設(shè)置三軸加速度計(jì)量程，編程寄存器ＣＲＢ＿ＲＥＧ＿Ｍ內(nèi)容可設(shè)置電子羅盤量程，其外圍電路如圖２所示。

　　圖２ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ外圍接口原理圖

　　ＭＰＵ３０５０能在２．１～３．６Ｖ低電壓下正常工作，其內(nèi)置的陀螺儀可測(cè)出三軸方向上±２５０～±２０００°／ｓ的角位移，通過(guò)編程其寄存器ＤＬＰＦ＿ＦＳ可以選擇陀螺儀工作的量程，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)Ｉ２Ｃ總線，可從Ｘ＿ＯＦＦＳ＿ＵＳＲＨ／Ｌ、Ｙ＿ＯＦＦＳ＿ＵＳＲＨ／Ｌ、Ｚ＿ＯＦＦＳ＿ＵＳＲＨ／Ｌ這６個(gè)數(shù)據(jù)寄存器讀出三軸原始數(shù)據(jù)，其外圍電路如圖３所示。

　　圖３ＭＰＵ３０５０外圍接口原理圖

　　２．３、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示模塊設(shè)計(jì)

負(fù)責(zé)航位推算的主單片機(jī)與三維傳感器模塊上的從單片機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行通信，它們被設(shè)置為相同的波特率。由于ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６的內(nèi)置ＲＡＭ容量只有２０ＫＢ，而航位推算過(guò)程中使用的數(shù)據(jù)容量遠(yuǎn)大于其內(nèi)存容量，所以采用ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)，把主單片機(jī)接收的數(shù)據(jù)存入ＳＤ卡中，單片機(jī)通過(guò)ＳＰＩ接口存入或讀出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的原理圖如圖４所示。

　　圖４數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊原理圖

　　顯示模塊采用了Ｉｌｉｔｅｋ公司生產(chǎn)的ＴＦＴＬＣＤＩＬＩ９３２０，分辨率為３２０×２４０，正常工作電壓為３．３Ｖ，采用１６位雙向數(shù)據(jù)線，單片機(jī)通過(guò)ＷＲ引腳向ＴＦＴＬＣＤ里寫入數(shù)據(jù)，通過(guò)ＲＤ引腳讀出數(shù)據(jù)，顯示模塊的原理圖如圖５所示。

　　圖５顯示模塊原理圖

　　３、軟件設(shè)計(jì)

　　３．１、航跡推算原理

　　步行者的運(yùn)動(dòng)通常可以認(rèn)為是二維運(yùn)動(dòng)［４］，步行者一個(gè)步伐周期內(nèi)的兩個(gè)落腳點(diǎn)間的連線可以認(rèn)為是直線，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為一個(gè)步伐周期時(shí)，已知步行者上一采樣周期末的方位信息與本次采樣周期內(nèi)步伐長(zhǎng)度與航向角信息，可以推算出本次采樣周期末步行者的方位信息。以二維ｘ－ｙ坐標(biāo)平面表示，設(shè)步行者初始時(shí)刻的方位為（ｘ０，ｙ０），任意時(shí)刻ｔ的方位為（ｘｔ，ｙｔ），步行者每個(gè)采樣周期內(nèi)的步長(zhǎng)為Ｓ，航向角為Ａ，則按照一個(gè)步伐周期Ｔ內(nèi)采樣，根據(jù)遞推原則，任意時(shí)刻ｔ步行者的方位如下：

　　３．２、航向角計(jì)算

　　由三軸加速度計(jì)測(cè)出的前左上三個(gè)方向上的加速度數(shù)Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ可以計(jì)算出三維傳感器模塊的俯仰角（以θ１表示）和傾斜角（以θ２表示）為：

　　式中的Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ為經(jīng)過(guò)最小二乘法［６］校正后的三軸加速度值，由于傳感器模塊置于步行者腰間，步行者在走動(dòng)的時(shí)候不可避免地引入振動(dòng)干擾，造成俯仰角與傾斜角解算誤差，因此采用互補(bǔ)濾波，融合陀螺儀數(shù)據(jù)，降低因振動(dòng)干擾帶來(lái)的解算誤差。設(shè)陀螺儀經(jīng)過(guò)互補(bǔ)濾波算法處理后，三軸的數(shù)據(jù)分別為Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ，融合后三個(gè)方向上的加速度為Ａ′ｘ、Ａ′ｙ、Ａ′ｚ，給三個(gè)方向上加速度賦予的權(quán)重為ＰｘＡ、ＰｙＡ、ＰｚＡ，給陀螺儀三軸數(shù)據(jù)的權(quán)重為ＰｘＧ、ＰｙＧ、ＰｚＧ，則可以用下式表示：

　　4、測(cè)試結(jié)果及分析

　　實(shí)地測(cè)試結(jié)果如圖６所示，測(cè)試場(chǎng)地為學(xué)校內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)田徑場(chǎng)，田徑場(chǎng)包含的兩條直道一條為東西走向，另一條為西東走向，測(cè)試的時(shí)候選取標(biāo)準(zhǔn)田徑場(chǎng)的第５跑道，步行實(shí)際長(zhǎng)度為４３０ｍ，實(shí)際步數(shù)為５６０步，經(jīng)航位推算測(cè)得的步數(shù)為５８７步，測(cè)得的步行距離為４２８．５ｍ，步數(shù)統(tǒng)計(jì)相對(duì)誤差為４．８％，距離統(tǒng)計(jì)相對(duì)誤差小于１％。與實(shí)際路線相比，最大偏移為５ｍ，出現(xiàn)在東西走向的直線跑道上，偏移區(qū)間長(zhǎng)度為８５ｍ，航向角測(cè)得的誤差在±２°～±４°以內(nèi)，說(shuō)明以上方法設(shè)計(jì)的步行者航位推算裝置有較高的精確性、實(shí)時(shí)性與可靠性，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

　　　　5、結(jié) 語(yǔ)

　　本文介紹了基于ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６單片機(jī)的步行者航位推算裝置的硬件設(shè)計(jì)與采用的軟件算法，完成了對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)的采集和航跡推算。采用單片機(jī)與微慣性器件搭建的系統(tǒng)，能滿足小型化、實(shí)用性、便攜性及易于搭建的應(yīng)用要求，經(jīng)過(guò)實(shí)地實(shí)驗(yàn)，其測(cè)算精度亦能滿足實(shí)際需求。