基于加速度传感器的运动物体轨迹检测系统的研究

单位代码：10293密级：专业学位硕士论文论文题目：基于加速度传感器的运动物体轨迹检测系统的研究1210042916任明泉章韵教授工程硕士申请全日制申请软件工程2013年6月学号姓名导师专业学位类别类型专业（领域）论文提交日期Anacceleration-sensor-basedtrajectorydetectionsystemofamovingobjectThesisSubmittedtoNanjingUniversityofPostsandTelecommunicationsfortheDegreeofMasterofEngineeringByRenMingquanSupervisor:Prof.ZhangYunMay2013南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名：_____________日期：____________研究生签名：____________导师签名：____________日期：_____________I摘要运动轨迹检测在行走距离估计、导航系统、人机交互等领域具有广泛应用，广阔的市场需求对轨迹检测系统的成本和精度提出了更高的要求。传统的系统解决方案多采用外部观测的方法，虽然精度较高但是设备复杂、成本较高，有一定的局限性。而基于MEMS加速度传感器的运动轨迹检测系统具有体积小、易携带、成本低的特点，符合大规模民用和商用的需求。轨迹检测的原理是加速度经过二重积分后可以得到位移。本文采用三轴加速度传感器ADXL345测量运动加速度。为了感应运动方向的变化，在系统中加入了三轴陀螺仪L3G4200D检测角速度，用四元数法计算角速度得到表示方向变化的旋转矩阵。为了降低误差，系统采用Kalman滤波滤除随机噪声，并提出了一种自适应补偿算法对积分产生的积累误差做出补偿。硬件系统采用单片机STC12C5A60S2作为主控芯片，把传感器采集到的加速度和角速度通过串口传输给上位计算机。系统算法全部在PC机中的MATLAB环境下实现。最终的实验结果表明本系统可以在一定程度上提高运动轨迹检测的精度，但要达到实际应用的程度仍需进一步努力。关键词：加速度传感器，轨迹检测，误差处理，Kalman滤波，积累误差IIAbstractTrajectorydetectioninwalkingdistanceestimation,navigationsystem,human-computerinteraction,andotherfieldshaveawiderangeofapplications,broadmarketdemandputforwardhigherrequirementsonthecostandaccuracyofthetrajectorydetectionsystem.Traditionalsystemsolutionscommonlyusedmethodofexternalobservation,althoughtheaccuracyishigher,buttheequipmentsaremorecomplexandcosthigher,therearesomelimitations.AndthetrajectorydetectionsystembasedonMEMSaccelerationsensorhascharactersofsmallsize,easytocarry,andlowcosttomeetthelarge-scaleresidentialandcommercialneeds.Theprincipleofthetrajectorydetectingisdisplacementcanbeobtainedafterdoubleintegralsofacceleration.Inthispaper,three-axisaccelerationsensorADXL345isusedtomeasureacceleration.Addedtothesystemforsensingchangesinthedirectionofmovement,three-axisgyroscopeL3G4200Ddetectsangularvelocityandquaternionmethodisusedtocalculatetheangularvelocitytogettherotationmatrixwhichindicatesachangeinthedirection.Inordertoreducetheerror,thesystemusestheKalmanfiltertofilteroutrandomnoise,andproposesanadaptivecompensationalgorithmtocompensatetheaccumulatederrorafterintegration.HardwaresystemusesmicrocontrollerSTC12C5A60S2asthemainchip,whichtransmitstheaccelerationandangularvelocitythroughtheserialporttothehostcomputer.AllsystemalgorithmsareimplementedintheMATLABenvironmentinthePC.Thefinalexperimentalresultsshowthatthesystemcanimprovetheaccuracyofdetectionofthetrajectory,butitneedsfurthereffortstoachievetheextentofpracticalapplication.Keywords:AccelerationSensor,TrajectoryDetection,ErrorHandling,KalmanFilter,AccumulatedErrorIII目录专用术语注释表.......................................................................................................................................................1第一章绪论.............................................................................................................................................................21.1研究背景和意义........................................................................................................................................21.1.1研究背景.........................................................................................................................................21.1.2研究意义.........................................................................................................................................31.2国内外研究现状........................................................................................................................................41.2.1加速度传感器研究现状.................................................................................................................41.2.2运动轨迹检测研究现状.................................................................................................................41.3论文主要内容............................................................................................................................................51.4论文结构....................................................................................................................................................6第二章运动轨迹检测相关背景研究.....................................................................................................................72.1运动轨迹检测系统原理............................................................................................................................72.1.1加速度传感器工作原理.................................................................................................................72.1.2陀螺仪工作原理.............................................................................................................................82.2轨迹估计原理.................................................................................................................