物联网与云计算课程大作业方案

物联网与云计算课程大作业方案大连理工大本科学生连连空间间迹追踪系间院;系,,学连件院学连连,嵌入式生姓名,学连连连,学号201392241?????完成日期,年月日2015??12??27??研究背景,在连算机技连高速连展的今天～人连连空连连迹追踪和智能人连作连连越越重连。体来如今大型的连航系连如美的国GPS、中的北斗、洲伽利略等都提供的民国欧用的接口用连航和连迹追踪。然而～在人机交互连域以及物连连域常用的连来网迹追踪的方法大部分是通连超波、激光、影像恢连等手段～连些方法有连点也声有缺点。连点是连些连连的精度可以到非常高～某些激光连距的精度可以到达达微米连～但是连也有缺点。首先激光受到激光光照范连的限制～影像恢连受它到连像机的连放地点以及可拍连的范连的限制。外的缺点就是造价成本太高另～不适合推使用。此外～连些连连的连大部分都比连大～一般都是固定在某广体个位置连连移连物的连迹。连连就大大影了连些连连的使用范连和连景。在连算机技连体响高速连展的今天～我连连什连不好好利用连科技的春天连连一套更加便捷～适来用范连更～造价更便宜的空连连迹追踪系连,连此～本连文提出外一连可广呢另用连连连迹追踪的系连。本系连主要通连携连在目连物上的可移连连点连连被连目来体来连前的连连～然后得到连据连送到可移连连连如,手机、平板连连等～也可当运状将数以据连送到连本连连上通连一系列的连理连算得出目连物的连连迹。由于将数笔体运本系连是可携连的～也就突破了连景和范连连系连的限制。连然连量的精度比不上激光～影像恢连等～但是～本系连造价低～连小～连用范连～系连的连连成本体广低～连于那些连精度的要求不是太高的连景有十分重要的连用价连。一,空连连迹追踪系连硬件连连系连连连连连功能体构与1.1:接下是连系连的连连介连。硬件系连包括移连端和基站端连成部分。移连端主要连连加速度信采来两个号集～连连～字连波和信连送功能～基站端主要连连信接收以及信连理功能。同连～连了数号号号A/D方便据连送和方便使用～系连数采用无连通信模式。系连的连连体连1?1,系连连架连构框构框架连如下连所示,1?1移连端主要是由加速度连感器～陀螺连～连理器和连送连路连成。在连一部分～加速度连感器和RF陀螺连分连得到的据连送连连理器～在连连连理器的打包～连连的连理之后～由将数连送连路连送到基RF站端连行连算连理。连1?2,移连端连基站端主要由无连接收连路～连理器和连算机串口通信连路连成。基站端的连示意连如连构所RF1?3示。连1?3,基站端连,主要硬件介连1.2由于连连的限制～此次使用的移连端连点是之前连连制作好的～接下主要是连连介连各硬件,并来个,加速度连感器1.2.1连感器是的一重要连成部分。本次采用的一连连力连感器～其主要如下,个参数、供连连连,～字数连连,12.35V?2.7VI/O1.7V?2.7V、连量范连,土22g、据接口,数～3SPII2C、置连存器存连每连内次采连存连～有中信连出断号464、连和自由落探连连中连出运体触断5,陀螺连1.2.2陀螺连是一连被用于连量物连连速度或者旋连角度的连器。体陀螺连一般是根据物在连连连生的震连体运的原理得出旋来连角。本次使用的陀螺连具体参数与特性如下,,无连收连芯片1.2.2RF射连;,连称。射连连射连连流～是一连高连交流连化连磁波的连。即它称收连连Radio?FrequencyRFRF路是工作在射连连段的无连通信连路～通常包括信连送和信接收连成部分。号号两个收连器通连部行口或者是内并连连其模连通信。连芯片有低速据连入～高速与它数数nRF24E1SPI据连出的特点～特连适合连连的采集据连送。此外～连有连波连连功能～能好地避免在同一工数它很作连率下不同连射器据包之连的撞。数碰,连路连连1.3基于加速度连感器的空连追踪系连硬件连路主要由部分连成～分连连加速度采集连送连路和据接两数收连路。加速度采集连送连路是移连端连路～据接收连路是基站端连路。数,加速度采集和连送连路连连1.3.1加速度采集连送系连移连端与即～主要由三连加速度连感器、三连陀螺连SCA3000?D01、据连理通信芯片数与、外部存连器等器件连成。如连所示ADIS16355nRF24E1E2PROM1?4连1?4,移连端连路连连,据接收连路连连数1.3.2数即据接收系连～基站端由通信芯片、外部存连器和串口通信芯片等器件nRF24E1E2PROM连成～其连路原理连如连所示1?5连1?5,接收端连路连连基站端射连连路部分移连端相与同～移连端连路的主要差它与连是串口通信连路。二,空连追踪系连模型建立,基于加速度连分算的空连连迹追踪运2.1我连知道～通连连移连物的连加速度体运连行次的两连分就可以求得物的连位移。体运在本系连中～我连使用加速度连感器不连连目连物的三连连加速度～断体运在连行据连理之后不地数断连三连加速度数运据连行连分算～便求得目连物的瞬连连速度体运与个在空连的各方向上的位移～由此可以得出目连物在空连的连连迹体运。连2?1,速度???连连连系从连连连刻连始t0采连～连根据连分原理～连从刻到连刻t0～我连可以通t连下列公式得出连连连连域中位移～速度s(t)和加速度v(t)的连算连系,a(t)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,连系连至连刻的位移～连系连连刻的瞬连连速度。运s(t0)0t0v(t0)t0但是～由于加速度连感器的连出连连一连离数运条散据～不能用一般的连分算～令初始件s?(t?0)?～连,=?0?由～其中连加速度连感器采用连连连隔t1?t0=t2?t1=……=tn?tn?1=ΔtΔt当连在离写散域中可以连,n1,当连n1由此可得～在连刻～目连物在某一连上的移连距连,体个离n但是～当很当大连～我连每连算一次就不得不重连很多次之前的连算。连了连化连算连程～nS[n]可以采用迭代的方法,依据上式～可以利用和以及加速度和得出前的速度和位移。当V(n?1)S(n?1)a(n)a(n?1)我连通连加速度连感器可得到目连物在三连空连连加速度。追踪连体运体程中～可以知道目连物沿加速度连感器、、连方向上的瞬连连速度分连连,运XYZ通连在、、连上的速度连行矢量相加～可求得在连刻目连物在三连空连的瞬连连速度,体运XYZt同理,在的连连里～目连的位移连,t?t?连刻目连物的空连体坐连连,;,因此～在三连坐连系中～通连连连～～～tSX[t],?SY[t],?SZ[t]t0t1t2……～连刻的所有空连位置坐连点便可得出目连物在空连的连连迹。体运tn?,坐连连连与响消除重力影2.2当体响体物在移连连程中连～重力加速度的影是不可忽连的。我连的加速度连感器是连连目连物在某一连刻的各方向上的加速度～其中个个肯定包含重力加速度在各连上的分量。而我连要连算出物体确来数的准的加速度～我连需要通连算法去除重力加速度。连此我连可以采用四元连连的原理。连连连坐连系～此坐连系是物在空连连连体运遵守的连连坐连系。我连的加速度连感器、、连连成的OXYZXYZ坐连系连相连坐连系如连所示,OXbYbZb2?2连2?2,连连坐连系相连与坐连系由此可得,其中连旋连矩连。C(b,n)上面的连连展连了连连坐连系相连与两个来坐连系之连的连系。我连需要通连连坐连系之连的连系去除重力加速度在各连上的分量。连此～我连个需要求出旋连矩连中的、和～ΨΘγ连地方我连采用用欧拉法。连坐连系相连坐连系的角速度向量连,OXbYbZbOXYZω那连我连可以知道目连物的加速度在体坐连系上的投影连,OXbYbZb?由此可得,上式连连即欧拉微分方程～、、连陀螺连在各连连上的连出分量。通连个解此微分方程便可ωxωyωz求出、和的连。所以重力加速度在加速度连感器、、连的分量分连连,ΨΘγXYZ因此～目连物空连连存在空连连连～我连当体运翻从数需要得到的加速度据中～一一求出在、、XYZ连上的分量。再求出地重力加速度在各连上的分量。当个真去除重力加速度后的连果才是正的我连需要的目连加速度。三,连差分析和连理,连差分析3.1任何的系连都存在连差～由于本追踪系连采用的是通连连加速度连感器连到基站的据连行连理后会数再连分得到目连物在空连中的位移。连就连体即数很致,使据本身有小的连差～在连连多次连分之后～连差连得越越大～连就连会来另致系连连果的不连定性。外～加速度连感器本身也有连差～连连差主要来随噪声自系连机～连境因素引起的连差～连有加速度连感器制造连程中工连的连差等等都可以造成系连连果的大的极另偏差。外～连有一连连差主要是据在连连连数程中造成的。比如,据包连数失～重连等等也可以造成最后的连算连果的不准确～所以在连合以上连系连连差的分析我连定采用如连决的连理流程,3?1连3?1,连差连理方案流程连卡来随双状卡数连曼连波器是用连理系连机连差的。使用基于连连连的连曼连波器连加速度连感器连出的据连行连波连理～可以的到连差均方连小的据。数由于外界因素的不连定性～我连需要连加速度连感器连出的据连行据数数修正。连连基于加速度连感器非连性曲连的加速度连数减数修正算法连行系连连连～小据非连性的连差。连于连算连差～我连通连连系连的速度和连分得到的位移连果重建。在我连建立的空连追踪模型中～系连在追踪连始前的瞬连加速度和位移是零～在系连连束工作连的瞬连加速度和位移也是零等件～条完全可以连位移的连分连果以及速度的连分连果连行重建。在通信连程中～连了避免出连据包连数确况决失、重连等连连造成系连连果连果不准的情～我连定RF在据连送端和接收端采用数从数靠数停止等待通信连连。而提高据连连的可性～有效的避免了由据包连失、重连等造成的加速度据连连连连。数连于连差的连理～接下主要介连的是连来卡靠另两个曼连波器和可通信连连。外的连理方法在其他的系连中也多有涉及～因此在此不多连述。,连卡曼连波器3.2卡连曼连波;,是一连利用连性系连连方状数状程～通连系连连入连出连连据～连系连连连Kalman?filtering行最连连的算法。由于连连据中包括系连中的和估数噪声响估干连的影～所以最连连也可看作是连波连程。连卡号噪声条个即噪曼连波不要求信和都是平连连程的假连件。连于每连刻的系连连连和连连连差;声它当噪声号,～只要连连的连连性连作某些适的假定～通连连含有的连连信连行连理～就能在平均的意连上～求得连差连最小的连信的连连。真号估从卡来因此～自连曼连波理连连世以～在通信系连、连力系连、航空航天、连境连染控制、工连控制、雷达号信连理等连多部连都得到了连用～取得了连多成功连用的成果。例如在连像连理方面～连用连卡噪声响曼连波连由于某些影而造成模糊的连像连行连原。在连作了某些连连性连的噪声卡从假定后～就可以用连曼的算法以连推的方式模糊连像中得到均方差最小的连连像～使模真卡糊的连像得到连原。连曼连波器模型如下,其中,是系连连状矩连～是系连～噪声是连连移状xkωkΦk矩连在连噪声境下～连量方程连,其中,连连量～噪声连连量矩连vkH估连连差平均方差,卡估连曼连波器连模型,状连连连模型,其中连连卡曼增益。K将状系连得到的加速度连加入到模型中后～得到,其中,连加速度连～状且Uk添加连后连连更状新方程,状连更新方程,卡连曼连波器模型如连所示3?2连3?2,连卡曼连波器模型33可通信连连靠3.3在通信连程中～连了避免出连据包连数确况决失、重连等连连造成系连连果连果不准的情～我连定RF在据连送端和接收端采用数从数靠数停止等待通信连连～而提高据连连的可性～有效的避免了由据包连失、重连等造成的加速度据连连连连。数概停止等待连连念如下,只有收到序正号确确的连连后～才更新连送连连量状一次～连送并新的数据连。ACKn?V(S)接收端接收到据连连～就要连送数将号序与状本地的接收连连量相比连。若二者相等N(S)?V(R)?就表明是新的据连～就收下～连送连。数并确否连连重连连～就必连连。但连连弃确仍连向连送端连送连连～而接收连连量状和连确号序都ACKnV(R)?n?不连。连连出连相同连送序号数号确的据连～表明连送端连行了超连重连。连连出连