基于MEMS技术的三维无线运动控制研究

发布时间：2017-06-25 19:09

  本文关键词：基于MEMS技术的三维无线运动控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着计算机技术及互联网和物联网技术的飞跃发展,人机交互技术越来越吸引人们的眼球,对设备操作的人性化标准也提出了新的高要求,即要求操作简单、精度高、灵敏性好、体验感强等。如今已经实现的虚拟现实交互技术,多数是基于运动距离控制定位的。运动控制技术主要有磁追踪系统,激光跟踪系统和计算机三维视觉的定位控制。此类追踪控制系统都是基于二维平面,受到参考系的影响以及平面的束缚,不适合三维空间的控制与动作识别,致使现在很多体感游戏的发展和姿态状态的检测等技术出现了瓶颈。本论文以MEMS器件作为系统输入控制端,以蓝牙技术实现系统的无线通信,以微处理器STM32作为数据处理单元,设计了一个基于MEMS技术的三维无线运动控制系统。系统中应用MEMS加速度计ADXL345、陀螺仪MPU-6050和磁力计HMC5883作为输入控制终端,以STM32作为微处理器,以蓝牙技术实现无线通信,以上位机运动仿真平台作为输入控制端的姿态角显示终端,实现输入控制端的姿态角三维实时仿真。本系统采用IIC方式读取MEMS加速度计及陀螺仪和磁力计的输出信号;采用EMD方法对采集的MEMS输出信号进行去噪处理,抑制由于MEMS制造工艺和外围电路的干扰等因素引入系统的噪声;最后应用经过EMD方法处理的MEMS信号进行四元数的姿态角融合,得到输入控制端的姿态角信息。在MATLAB平台上,应用MEMS加速度计ADXL345的输出信号和系统的姿态角检测信息,将输入控制端的三维运动轨迹投影到二维水平坐标系上的x轴与y轴进行运动轨迹的仿真,实现了对输入控制端的运动轨迹跟踪,验证了系统能够应用在实际项目中进行姿态角识别和运动轨迹跟踪的可行性。另外,将磁力计HMC5883处于静态条件下进行精度测试,对磁力计处于地磁场中测量方位角的测量精度进行验证,得出HMC5883测量误差值为1.03°。本论文以MEMS加速度计、陀螺仪以及磁力计为基础设计的三维无线运动控制系统,该系统同时也是一个空间姿态检测系统。本论文的姿态检测,运动控制等研究点为当今物联网的控制终端技术,3D体感游戏的输入控制和飞行器的姿态检测等相关领域的发展提供了一个设计思路。
【关键词】：MEMS 蓝牙技术 EMD 四元数 STM32
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.9;TH-39
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 课题的背景和意义13-14
• 1.2 基于MEMS技术的运动控制国内外研究现状14-15
• 1.3 基于MEMS技术的传感器研究15-19
• 1.3.1 MEMS加速度计15-16
• 1.3.2 MEMS陀螺仪16-17
• 1.3.3 磁力计17-19
• 1.4 基于MEMS的运动控制系统关键技术研究19-23
• 1.4.1 数据采集方法的研究19-20
• 1.4.2 数据去噪方式的研究20-21
• 1.4.3 无线通信方法的研究21-23
• 1.5 论文研究内容23-25
• 第二章 无线运动控制系统硬件设计25-38
• 2.1 系统硬件框架结构设计25-26
• 2.2 微处理器性能研究及电路设计26-29
• 2.2.1 Cortex-M3微处理器26-27
• 2.2.2 STM32性能研究27-28
• 2.2.3 微处理器STM32的电路设计28-29
• 2.3 ADXL345性能研究及电路设计29-31
• 2.3.1 MEMS加速度计ADXL345性能特征29-31
• 2.3.2 MEMS加速度计电路设计31
• 2.4 MPU-6050性能研究及电路设计31-34
• 2.4.1 MEMS陀螺仪MPU-6050性能特征31-33
• 2.4.2 MEMS陀螺仪MPU-6050电路设计33-34
• 2.5 HMC5883性能研究及电路设计34-36
• 2.5.1 磁力计HMC5883的性能特征34-35
• 2.5.2 磁力计HMC5883电路设计35-36
• 2.6 无线通信模块硬件设计36-37
• 2.6.1 蓝牙通信过程36
• 2.6.2 蓝牙电路设计36-37
• 2.7 本章小结37-38
• 第三章 无线运动控制系统软件设计38-51
• 3.1 STM32微处理器功能及启动38-39
• 3.1.1 STM32F103ZET6功能38
• 3.1.2 STM32启动过程38-39
• 3.2 基于IIC总线的数据采集39-46
• 3.2.1 IIC总线进行数据采集的研究39-40
• 3.2.2 基于IIC的ADXL345数据采集的软件设计40-43
• 3.2.3 基于IIC的MPU-6050数据采集的软件设计43-45
• 3.2.4 基于IIC的HMC5883数据采集的软件设计45-46
• 3.3 蓝牙数据传输的软件设计46-48
• 3.4 无线运动控制系统仿真平台设计48-49
• 3.4.1 C#及Visual Studio简介48
• 3.4.2 姿态角仿真平台48-49
• 3.5 本章小结49-51
• 第四章 基于EMD方法的MEMS信号数据处理51-59
• 4.1 EMD方法分析51-54
• 4.1.1 EMD经验模态分解研究51-52
• 4.1.2 EMD去噪滤波过程52-54
• 4.2 基于EMD方法的加速度计信号处理54-56
• 4.3 方位角精度测量实验56-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 基于四元数算法的姿态角融合及实现59-68
• 5.1 基于四元数的姿态解算59-61
• 5.2 MEMS输出数据显示61-63
• 5.3 三维姿态角的运动仿真63-64
• 5.4 运动轨迹仿真64-67
• 5.4.1 加速度与位移关系的分析64-66
• 5.4.2 运动轨迹仿真分析66-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第六章 总结与展望68-70
• 参考文献70-75
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果75-76
• 致谢76-77

  本文关键词：基于MEMS技术的三维无线运动控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：483227