基于微惯性全姿态测量的人体运动捕捉系统研究
基于MEMS陀螺和加计的微惯性测量单元研制

( 西北工业大学 电子信息学院, 陕西 西安 70 7 ) 10 2
摘 要 : 惯性测量单元具有成本低 、 积 小、 微 体 功耗低 和抗 冲击等优 点 , 可以应 用在 车辆 稳定 控制 、
平 台稳 定及 导航控 制 系统 中, 具有广 阔的 市场应 用前 景。详 细介 绍 了采用三 轴 ME MS陀螺和 三轴
ME S加速度 计研 制的微惯性测量单元硬件设计 , M 对信号进行 预处理 、 陀螺 漂移补偿 、 降噪等处理 。 所研制 的低 成本 MI MU经过补偿后零位漂移保持在 : 轴 、 y轴 、 z轴 , 以应用到普通导航领域 。 可 关键词 : 微惯性测量 单元 ; 硬件 设计 ; 差补偿 ; 误 漂移 ; 降噪
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中 图分 类 号 :P 1. T229 文献标识码 : A 文 章 编 号 :6 1 6 4 20 ) 6 0 1 — 4 17 . 5 X(0 8 0 — 15 0
引 言
由微机 械 ( M ) 螺及 微机 械 加 速度 计 构 成 的 ME S 陀
适 于较 高要求 的应 用 , 文 采 用 三轴 ME 本 MS陀 螺及 三
三个 正交 平面 上 , 敏感轴 互 相垂直 , 成测 量 正交 坐 其 构
螺 由 A I公 司 3个 单 轴 M M D E S角 速 度 传 感 器 A X S 0 r 组 成 , D R 3 0是 一 款 角 速 度 范 围 为 D R 30 A X S0
imu和odo的工作原理

imu和odo的工作原理标题:IMU和ODO的工作原理探究引言:惯性测量单元(IMU)和轮式里程计(ODO)是现代导航系统中常用的传感器装置,它们在定位、导航和姿态控制等方面发挥着重要的作用。
本文将详细介绍IMU和ODO的工作原理,包括其原理、结构和应用。
通过深入了解IMU和ODO,我们可以更好地理解这些技术的优点和局限性,并为未来的导航系统设计和发展提供指导。
第一部分:IMU的工作原理1.1 加速度计加速度计是IMU中的重要组成部分,它通过测量物体的加速度来确定其运动状态。
加速度计基于牛顿第二定律,通过测量物体在三个轴向上的加速度来推断物体的位移。
常见的加速度计主要包括压电和微机电系统(MEMS)传感器。
压电加速度计使用压电材料产生电荷,而MEMS加速度计则利用微机电系统的微小结构测量变形来判断加速度变化。
1.2 陀螺仪陀螺仪是IMU中另一个重要的传感器,它通过测量物体在旋转方向上的角速度来确定其姿态变化。
陀螺仪根据角动量守恒定律,通过测量物体在三个轴向的旋转角速度来计算物体的姿态。
常见的陀螺仪主要包括机械陀螺仪和MEMS陀螺仪。
机械陀螺仪利用陀螺效应实现测量,而MEMS陀螺仪使用微小结构对角速度进行测量。
1.3 磁力计磁力计是IMU中的另一个重要传感器,它通过测量地磁场的变化来确定物体的方向。
磁力计利用霍尔效应或磁电阻效应测量物体周围的磁场强度,并通过与地磁场进行比较来确定物体的方向。
由于磁场受到外界干扰较大(如电气设备和金属结构等),磁力计常常与加速度计和陀螺仪结合使用,以提高方向测量的准确性。
第二部分:ODO的工作原理2.1 轮子编码器轮子编码器是ODO中的核心传感器,它通过对轮子旋转的测量来计算物体的位移。
轮子编码器通常由光学编码器或磁编码器组成。
光学编码器利用光学读取单元和编码盘上的刻线进行测量,而磁编码器则利用磁性读取单元和磁性编码盘进行测量。
轮子编码器可以准确地测量轮子的旋转次数和方向,进而计算出物体的位移。
基于惯性测量信息的跟踪脱靶量延时补偿技术

1引言传统跟踪控制方法利用系统自带的测角微分信息或控制用陀螺信息实现速度环稳定[1],并通过探测器采集、检测待跟踪目标,将脱靶量信息引入伺服位置环,实现目标持续跟踪。
跟踪效果依赖图像的识别能力与更新频率,抗扰动能力较差。
但在岸基或大型舰船等静止、低动态平台影响不明显[2]。
对于轮式车、飞行器以及高速水面航行器等平台,跟踪系统需要在高动态条件下完成目标图像稳定及检测[3]。
该任务背景下,运载体剧烈角运动以及目标近距离高速位移,会导致目标在图像中难以清晰成像,降低目标识别率,甚至造成目标丢失[4]。
针对上述问题,论文提出了基于惯性运动信息辅助的目标跟踪控制策略。
以探测成像过程中的跟踪扰动误差源的分类分析为出发点,围绕惯性运动信息如何辅助伺服跟踪这一问题,开展研究工作。
最终实现同等伺服硬件条件下目标跟踪能力的有效提升,从信息跨界融合的角度深度挖掘了伺服跟踪性能潜力。
2跟踪扰动源分类分析图像稳定跟踪的核心功能是通过伺服控制将目标稳定在图像指定区域内,缩小目标脱离靶面坐标系中心的偏移量(以下简称脱靶量)[5]。
在控制过程中,目标脱靶量主要受到两类扰动误差源的影响,上述两类扰动均会导致观测目标在载体坐标系下产生高度和方位角变化,进而导致目标偏离靶面坐标系中心[6]。
但本质上两类干扰的形成机制、特点完全不同。
第一类,由设备自身角运动造成,因此,扰动频率受载体影响分布较宽,但可以被设备自带的惯性敏感器件完整的敏感到。
其影响主要在使用小视场观察远距离目标时较大,会导致图像严重晃动。
第二类,由设备与目标在垂直光轴方向的相对线运动造成。
以低频扰动形式存在,但只能通过较低频率的图像信息获取,在跟踪近距离目标时影响较大。
3物理伺服跟踪策略分析可获取高频惯性导航信息条件下的控制策略:伺服跟踪控制策略设计核心是充分利用惯性信息,对伺服系统位置环给定量进行优化,减小延时、降低噪声、提高频率,从而实现系统控制稳定精度的提升。
算法流程如下:第一,获取目标矢量在地理坐标系投影。
基于低成本微机械惯性测量元件的捷联惯性导航系统

臧 鹏娟 ( 北方工业大学机电学院, 北京 1 0 0 1 4 4 )
摘 要
随 着 智 能技 术 和 微 电子 技 术 的迅 猛 发 展 , 以及 ME MS 运 动 传 感 器 带 来 的创 新 , 使 国 内外 的 工程 师认 识 到 捷 联 惯 导 系统 应 用 到人 体 运 动 测 量 领 域 的 重 要 意 义 , 为运 动 员 、 消防员、 警 察 和 急 救 队 员的 训 练 提 供 了有 利 帮 助 。首 先 介 绍 了捷 联 惯 性 导
㈠
随 着 智 能 技 术 和微 电 子 技 术 的 迅 猛 发 展 , 以 及 ME MS运 动
体 坐标 系 下 的物 理 量 。
加 速 度 计 测 量 的是 载 体 坐 标 系 ( b系 ) 相 对 于 惯 性 空 间 的加
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传感器带来的创 新 ,使国内外的工程师认识到捷联惯导 系统应
完 成 ,而 c 是 利用 陀 螺 仪 的 输 出 ‘ I ) 即 载 体 相 对 惯 性 空 间 转 动
的 角 速 率 在 载 体 坐标 系 下 的 投 影 计 算 得 到 ;姿 态 矩 阵 是 随 时 间
载 体 的 初 始 速 度 的 基 础 上 ,通 过 一 次 积 分 运 算 得 到 载体 相 对 导 航坐标系的即时速度 ; 之 后 在 已知 载 体 的 初 始 位 置 的基 础 上 , 通
实现 输 出 。
‘
关键 词 : M E MS , 惯 性元 件 , 捷 联 惯 导 系统 , 姿 态解 算
Ab s t ac t
T hi s p ape r f i r s t i n t r o duc e s t h e SI NS S wor k i n g p r i n ci pl e, t he n d es c r i b es i n d et ai l i t s h ar dwar e c ompon e n t s , l a t e r ve r i f y s t h e f e a si bi l i t y of i t s al g or i t hm i n mat l a b. I n or de r t o ac hi e v e t he f a s t d ev el op me nt t hi s pa pe r cr ea t es t he si mu l i nk m o de1 .
基于MEMS的微型加速度传感器研究

基于MEMS的微型加速度传感器研究在当今科技飞速发展的时代,传感器作为获取信息的关键器件,在众多领域发挥着至关重要的作用。
其中,基于 MEMS(微机电系统)技术的微型加速度传感器凭借其体积小、重量轻、功耗低、集成度高等显著优势,成为了研究的热点。
MEMS 技术的出现为微型加速度传感器的发展带来了革命性的变化。
传统的加速度传感器通常体积较大、成本较高,限制了其在一些对空间和成本敏感的应用中的使用。
而 MEMS 技术通过微加工工艺,能够在微小的硅片上制造出复杂的机械结构和电子线路,从而实现传感器的微型化。
微型加速度传感器的工作原理主要基于惯性原理。
当物体发生加速度运动时,质量块会受到惯性力的作用,从而产生位移或应力的变化。
通过检测这些变化,并经过一系列的信号处理和转换,就能够得到加速度的数值。
常见的检测方式有电容式、压阻式和压电式等。
电容式微型加速度传感器是利用电容的变化来检测质量块的位移。
在这种传感器中,通常有两个平行的极板,其中一个是固定的,另一个与质量块相连。
当加速度作用时,质量块的位移会导致电容值发生变化,通过测量电容的变化就可以得到加速度的信息。
压阻式微型加速度传感器则是基于半导体材料的压阻效应。
当质量块产生位移时,会引起电阻值的变化,通过测量电阻的变化来计算加速度。
压电式微型加速度传感器利用压电材料的压电效应来检测加速度。
当受到应力作用时,压电材料会产生电荷,通过测量电荷的变化来获取加速度的大小。
在 MEMS 微型加速度传感器的设计中,需要考虑众多因素。
首先是结构设计,要确保传感器具有足够的灵敏度和测量范围,同时还要考虑其稳定性和可靠性。
材料的选择也至关重要,需要具备良好的机械性能和电学性能。
此外,制造工艺的精度和一致性对传感器的性能有着直接的影响。
MEMS 微型加速度传感器在众多领域都有着广泛的应用。
在汽车工业中,它们被用于汽车安全系统,如碰撞检测和气囊触发。
在消费电子领域,如智能手机、平板电脑等设备中,用于自动旋转屏幕、运动检测等功能。
微惯性器件的应用原理

微惯性器件的应用原理什么是微惯性器件?微惯性器件是一种用于测量和感知运动、加速度和姿态的微小尺寸传感器。
它采用微电子技术和微加工技术,结合惯性传感器原理,能够实时测量物体的运动状态。
微惯性器件的工作原理微惯性器件通常由加速度计和陀螺仪组成。
加速度计用于测量物体的线性加速度,陀螺仪用于测量物体的角速度。
通过测量加速度和角速度的变化,微惯性器件可以根据牛顿运动定律计算出物体的位移和姿态。
微惯性器件的应用领域微惯性器件在许多领域都有广泛的应用,例如:•航空航天:微惯性器件可以用于飞行器的姿态控制和导航系统,提高导航精度和稳定性。
•智能手机:微惯性器件可用于智能手机中的屏幕旋转功能,使屏幕能根据设备的姿态自动调整。
•车辆导航:微惯性器件可以用于车辆导航系统,提供准确的位置和姿态信息。
•运动追踪:微惯性器件可用于运动追踪设备,如智能手环和智能手表,实时监测用户的运动状态和健康数据。
•虚拟现实:微惯性器件可以用于虚拟现实设备中,提供用户的头部姿态和身体运动信息,实现更加真实的虚拟体验。
微惯性器件的优势微惯性器件相对于传统的惯性器件有以下优势:1.尺寸小:微惯性器件采用微加工技术,体积小巧,适合集成到各种小型设备中。
2.功耗低:微惯性器件采用微电子技术,功耗低,适合搭载在移动设备或无人机等电池供电的设备中。
3.精度高:微惯性器件采用先进的传感器技术和算法,能够提供高精度的运动测量结果。
4.响应速度快:微惯性器件采样速率高,能够实时监测物体的运动变化。
5.成本低:随着制造工艺的进步,微惯性器件的制造成本逐渐降低,使其在更多应用领域中得以应用。
微惯性器件的发展趋势随着技术的不断进步,微惯性器件有望在未来获得更广泛的应用。
未来的发展方向包括:1.更小的尺寸:随着微电子技术和微加工技术的进步,微惯性器件的尺寸将进一步减小,适用于更小巧的设备。
2.更低的功耗:随着节能技术的不断发展,微惯性器件的功耗将进一步降低,延长设备的使用时间。
Ch1-微惯性系统理论与应用
微惯性系统理论与应用
• 弹道导弹要发挥其威力,必须射程远、爆炸威力大、命
中精度高。 • 精确制导武器在现代战争中的使用比例
项目 总投弹量(发) 精确制导武器 (枚) 百分比(%) 1991 年 海湾战争 265000 20450 8 1999 年 科索沃战争 23000 8050 35 2001 年 阿富汗战争 22000 12500 56 2003 年 伊拉克战争 28397 19146 68
量技术、惯性元件、惯性系统与元件测试技术的总称。 惯性导航 导航:正确地引导载体沿预定的航线在规定的时间内到达目 的地的过程。比如使船舶或飞机按预定航线到达预定目的地。 惯性制导 制导:是指自动控制和导引飞行器按预定轨道或飞行路 线准确到达目标的过程。
微惯性系统理论与应用
司南,汉(公元前206-公元220 年)。盘17.8×17.4厘米,勺长11.5, 口径4.2厘米。司南由青铜地盘与磁 勺组成。地盘内圆外方;中心圆面下 凹;圆外盘面分层次铸有10天干, 十二地支、四卦,标示二十四个方位。 磁勺是用天然磁体磨成,置于地盘中
微惯性系统理论与应用
微惯性系统理论与应用
微惯性系统理论与应用
数字光学控制器(DLP)
1987年美国德州仪器(TI)公司发明
优点:高分辨率、高对比度、响应速度快、带宽等。 应用:数字相机、高频天线阵列、新一代外层空间望远镜、全息照
相、数字图像处理等,目前,DMD广泛应用于数字光处理器件(DLP), 用于数字投影显示(DPD)、高清晰度电视(HDTV)、微型显示。
其中开发强大火箭的重担就落在前德国专家冯.布劳恩身上;
基于MIMU的滑雪运动测量系统仿真研究
中图分类号 :T 1 P2 6 文献标识码 :A 文章 编号 :1 0 - 1 4 2 t ) ( -0 3 - 2 9 0 ( 0 1 上) 0 9 0 0 3 2 0
D i1 .9 9J is .0 9 0 .0 .0 - . 3 o: 3 6 / . n 1 0 - 14 2 1 1 (I 1 0 s 3 2 )
图 l 滑 雪 运 动 仿 真 三 个 阶段 图 示
~
1 滑雪运动测量 的航迹仿真
滑 雪 运 动 测 量 系 统 中 ,实 时 运 动 数 据 通 过 MI MU获 取 ,后 续 的运 动 测 量 解 算 提 取 陀 螺仪 信 息 计 算 姿 态 矩 阵 ,进 而 获 得 运 动 员 的 姿 态 信 息 , 并 对 运 动 员 位 姿参 数 进 行 计 算 。 滑 雪运 动 测量 仿
式 中 ,A k -) 中 间变 量 。 (, 1 为 k
4
・ s
餐
3 计算和分析
根 据 前 述 步 骤 ,依 次得 到 滑雪 运 动 员运 动 航 迹 、MI MU 测 量 原 始数 据 和 捷 联 解 算 结 果 ,具 体
如图 2 ~图 4所 示 。
_ 。
蒂_ 4
。 。
0 引言
随 着体 育 竞 技 水 平 的 提 高 ,科技 测 量 系 统 逐 步 引入 竞 技 项 目训 练 中。 国 内 外 大 量 学 者 从 生 物 力 学 、 模 式 识 别 等 角 度 对 运动 动 力 学 特 征 进 行 了
研 究 。 滑 雪运 动 测量 系统 是 滑 雪 运动 数 字 辅 助
《2024年捷联惯性导航系统关键技术研究》范文
《捷联惯性导航系统关键技术研究》篇一一、引言随着科技的进步,导航系统在众多领域如航空、航天、机器人等领域扮演着至关重要的角色。
其中,捷联惯性导航系统(Inertial Navigation System,简称INS)因其具有独立性强、实时性高和隐蔽性好的特点,成为众多导航系统中重要的技术手段。
本文旨在探讨捷联惯性导航系统的关键技术及其发展趋势。
二、捷联惯性导航系统概述捷联惯性导航系统基于惯性传感器(如陀螺仪和加速度计)的测量原理,将物理信息转化为电信号,以实现对载体姿态、速度和位置的实时解算。
相较于传统的平台式惯性导航系统,捷联式结构更加简单、体积更小、可靠性更高。
三、关键技术研究1. 惯性传感器技术惯性传感器是捷联惯性导航系统的核心部件,其性能直接决定了系统的精度和稳定性。
目前,高精度、低噪声的陀螺仪和加速度计是研究的重点。
此外,微机电系统(MEMS)技术的发展为惯性传感器的小型化、低成本化提供了可能。
2. 算法研究算法是捷联惯性导航系统的灵魂,其性能直接影响到系统的解算精度和实时性。
目前,主要的算法包括姿态解算算法、速度和位置解算算法、误差补偿算法等。
其中,基于卡尔曼滤波的姿态和位置解算算法是研究的热点。
此外,随着人工智能技术的发展,基于深度学习、神经网络的算法也在逐渐应用于捷联惯性导航系统中。
3. 系统集成与优化系统集成与优化是提高捷联惯性导航系统性能的重要手段。
这包括硬件电路的优化设计、软件算法的优化以及系统整体性能的评估与优化等。
通过优化设计,可以在保证系统性能的前提下,减小系统的体积和成本,提高系统的可靠性。
四、发展趋势1. 高精度化:随着科技的进步,对导航系统的精度要求越来越高。
因此,进一步提高惯性传感器的精度、优化算法、减少误差等是未来的重要研究方向。
2. 智能化:随着人工智能技术的发展,将人工智能技术应用于捷联惯性导航系统中,提高系统的自主性、智能性和适应性是未来的重要趋势。
3. 微型化:随着微机电系统(MEMS)技术的发展,捷联惯性导航系统的微型化、低成本化将成为可能。
微惯性测量组合系统的设计
微惯性测量组合系统的设计
岳凤英;李永红;王恩怀
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2008(027)001
【摘要】介绍了一种微惯性测量组合(MIMU)系统的设计方法.该系统由电源模块、数据采集模块和数据处理模块组成.数据采集模块用16位高精度 AD 和浮点放大器采集 MIMU 输出信号;数据处理模块采用高速单片机和嵌入式计算机进行数据处理.还介绍了数据采集的软件设计.该系统结构简单,为捷联系统的小型化提供了一种新
的思路.经实际应用表明:该系统合理可行.
【总页数】3页(P96-98)
【作者】岳凤英;李永红;王恩怀
【作者单位】中北大学,山西,太原,030051;中北大学,山西,太原,030051;中北大学,
山西,太原,030051
【正文语种】中文
【中图分类】U666.12
【相关文献】
1.微惯性测量组合的计算机辅助设计系统的设计与应用 [J], 徐苛杰;陈明;刘宗玉;
潘金艳
2.一种微惯性测量系统设计研究 [J], 秦辉;史步海
3.陀螺和加速度计微惯性测量系统设计 [J], 李慧;范锦彪
4.基于组合微惯性测量元件的人体动作检测系统设计 [J], 张继光;羊彦;李伟
5.旋转弹用微惯性测量组合数模混合信号采编系统设计 [J], 景增增;李杰;范成叶;刘俊
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实验 的结 果表 明,实现 的人体运动捕捉 系统工作稳 定可 靠,具有一定的实际参考价值 。
关键 词 :ME MS ;惯性 测 量 ; 人体 运动 捕 捉 ;航 姿 解 算 ; 卡 尔 曼 滤 波
中图分类号:T P 3 l 1
文献标志码:A
Re s e a r c h o f Hum a n Mo r i o n Ca p t u r e S y s t e m Ba s e d o n t h e W h o l e At t i t ud e o f t he M i - c r o . I ne r t i a l Me a s ur e me nt
Gu o Z h i h u , F e i J i e , Q i a n F e n g ( D e p a r t me n t o f I n s t r u me n t S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , S h a n g h a i J i a o T o n g U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 , C h i n a )
c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e h u ma n mo t i o n c a p t u r e s y s t e m, t h i s mi c r o i n e r t i a l me a s u r e me n t u n i t wh i c h u s e s t h i s me t h o d b a s e d o n q u a t e r n i o n s o l v e r o f Ka l ma n f i l t e r i n g i n or f m ̄i o n f u s i o n i s c o n gi t u t e d , wh i c h s o l v e s t h e wh o l e a t t i t u d e me a s u r e me n t . T h i s p a p e r
p u t s f o w a r rd t h e me t h o d o f n e t g r o u p e d . T h i s me t h o d s o l v e s t h e p r o b l e ms o f mu l t i - s e n s o r c o mmu n i c a t i o n . T h i s p a p e r a l s o e l a b o r a t e s
— —
2 0 1 竺 笺 ! 堂 笺 塑
基 于微惯性 全姿 态测 量的人体运 动捕捉系统 动 捕 捉 系统 一 般 采 用 光 学 方 法 ,研 究基 于 微 惯 性 技 术构 成 人 体 运动 捕 捉 系 统 ,克 服 了传 统 方 法 受 场 地 和 易受
遮 挡 等 局 限 性 。根 据 人 体 运动 捕 捉 系统 的 特 点 ,采 用 基 于 四 元数 解 算 的卡 尔 曼滤 波 信 息 融 合 方 法构 成微 惯性 测 量 装 置 , 解 决 了全 姿 态 测 量 问题 ; 提 出 了分 组 组 网的 方 法 ,解 决 了 多传 感 器 通 讯 问题 ; 同时 还 系统 地 阐述 了这 个 系 统 的 实现 方 法 ;测 试 和
r e a l i z ti a o n me t h o d a b o u t t h i s s y s t e m. T h r o u g h t h e t e s t i n g nd a e x p e r i me n t a t i o n , i t p r o v e d t h i s h u ma n mo t i o n c a p t u r e s y s t e m i s s t a b l e t a wo r k i n g . I t a l s o h a s s o me p r a c t i c a l v a l u e . Ke y wo r d s : M EM S : I n e r t i a 1 Me a s u r e me n t ; Hu ma n Mo t i o n Ca p t u r e ; AHRS S o l v e r ; Ka l ma n F i l t e r
Mi c r o c o mp u t e r A p p l i c a t i o n s V o 1 . 2 9 , N o . 2 , 2 0 1 3
文章编号 :l 0 0 7 — 7 5 7 X( 2 0 1 3 ) 2 - 0 0 2 9 - 0 4
研究 与设 计
微型 电脑 应
o n Mi c r o I n e r t i a l T e c h n o l o g y . I t o v e r c o me s t h e l i mi t a t i o n s o f t r a d i t i o n a l me t h o d s wh i c h a r e a f e c t e d b y v e n u e s nd a o b s t a c l e . Ac -
Ab s t r a c t : Hu ma n mo t i o n c a p t u r e s y s t e m u s u a l l y u s e d o p t i c a l me t h o d s . Th i s p a p e r p u t s f o r wa r d h u ma n mo t i o n c a p t u r e s y s t e m b a s e d