Ayak Mesafe Yardımı ile Çift Ataletsel Navigasyon Yaya Navigasyonunun "İyi Tasarım Kağıdı" Donanım Sistemi Tasarımı
Özet: Yüksek hassasiyetli yaya kapalı otonom navigasyon ve konumlandırmanın uygulama gereksinimlerine yanıt olarak, Arduino ve Xsens Awinda atalet ölçüm kitini entegre eden giyilebilir bir insan hareketi ölçüm cihazının prototipi tasarlandı. Sistemin takılması kolay ve son derece güvenilirdir.İki ayaklı IMU bilgilerinin ve ayaklar arasındaki mesafenin eşzamanlı ölçümünü gerçekleştirir ve kablosuz veri iletimini, uzaktan depolamayı ve analizi destekler. Ayaklar arasındaki mesafe, modifiye edilmiş çift SRF10 ultrasonik aralık modülü tarafından sürekli olarak toplanır ve iki ayaklı atalet ölçüm verileri ile birleştirildiğinde, sıfır hız algılama algoritması, yaya eylemsizlik navigasyonunun ve konumlandırmanın doğruluğunu iyileştirmeye yardımcı olan yürüme yürüyüşü yasasını elde etmek için kullanılır.
Çince alıntı biçimi: Zhou Luyang, Hu Yigong, Wu Yuanxin.Yaya mesafesi yardımı ile ikili eylemsiz navigasyon yaya navigasyonunun donanım sistemi tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (7): 89-93.
İngilizce alıntı biçimi: Zhou Luyang, Hu Yigong, Wu Yuanxin.Ayak mesafesi ölçümlü Dual-INS yaya navigasyon sistemi tasarımı.Elektronik Tekniği Uygulaması, 2018, 44 (7): 89-93.
0 Önsöz
Şu anda, otonom navigasyon teknolojisi, hareket tahmini ve navigasyon konumlandırması için biyolojik özelliklerle birlikte uzay ve zamandaki yürüyüş parametrelerine dayanmaktadır. Bir fikir, hedef parçanın hareket bilgisini ölçmek, yürüyen kişinin sinyal özelliklerini analiz ederek hareket özelliklerini tahmin etmek, adım frekansı ve adım uzunluğunu belirlemek ve hareket yörüngesini elde etmek için rota ölçüm sistemi ile birleştirmek için sensörleri kullanmaktır Eksikliği gerçek yürüme sürecindedir. Değişen koşullar, sürekli olarak yüksek bir sinyal tanıma oranını korumak zordur. Diğer bir fikir, ayak zemindeyken sıfır hız durumunu tespit etmek ve sıfır hız değerini Kalman filtresinin gözlem değeri olarak eylemsizlik navigasyon çözümü hatasını düzeltmek için kullanmaktır. Bir kişi yürürken ayakların yere değme süresi kısadır, bu nedenle yardımcı etki sınırlıdır. Ayrıca, sıfır hız durumu algılama yöntemi, jiroskop çıkış hatasının düzeltilmesi üzerinde sınırlı bir etkiye sahiptir ve zaman içinde yürüme yörüngesinde büyük bir sapmaya neden olacaktır.
Ayaklar arasındaki mesafe, kullanışlı bir navigasyon yardımcısıdır. Şu anda, bu fikrin araştırma çalışması esas olarak üç yöne ayrılmıştır: (1) iki jironun sıfır ofsetini iki ayağın mesafesini izleyerek kalibre edin, böylece ultrasonik alıcı-vericinin ayaklar arasındaki mesafeyi belirlemek için kullanıldığı azimut kaymasını sınırlayın; (2) algoritmada Rota hatasını azaltmak için ayaklar arasındaki mesafe eşiğini ayarlayın; (3) Tek atış ve çoklu alım fikrini kullanarak, her iki ayak üzerinde birden fazla ultrasonik alıcı-verici düzenlenir ve ayak seslerinin yer değiştirme bilgileri, farklı konumlardaki alıcıların zaman farkı ile elde edilir. Ve duruş bilgisi.
Bu fikre dayanarak, bu makale, atalet bilgisinin ve ayaklar arasındaki mesafe bilgilerinin sürekli ve senkronize ölçümünü gerçekleştiren Arduino geliştirme platformuna ve Xsens Awinda MTw atalet sensörüne dayanan giyilebilir bir insan hareketi ölçüm cihazının bir prototipini tasarlar.
1 Sistem prensibi
Ayakların hareketi sırasında kurulum pozisyonunun eylemsizlik verilerini ölçmek için bir MEMS Atalet Ölçüm Birimi (MEMS IMU) kullanılır. Sistem platformu tasarım hedefi dört ana noktayı karşılar: (1) Gerçek yürüyüş koşulları altında ayaklar arasındaki mesafenin gerçek zamanlı ölçümü, doğru ve kararlı veriler ve hassas veri geri bildirimi gerektirir; (2) Her sensörden ölçüm bilgilerinin eşzamanlı olarak toplanması; (3) Otomatik depolama Ve verilerin işlenmesi; (4) Ekipman taşınabilirdir ve kullanımı kolaydır ve takılması uygundur. Bu sistemin donanım sıralama fikri Şekil 1'deki gibi gösterilmektedir.
Herhangi bir göreceli pozisyonda ayaklar arasındaki mesafeyi ölçmek için iki ultrasonik menzil modülü kullanılır.Ultrasonik veri ileticisi menzilden sorumludur ve veriler, düzenli aralıklarla ultrasonik veri alıcısına kablosuz olarak iletilir. Öte yandan, iki ayaklı eylemsizlik hareketi bilgisi, merkezi kontrol ünitesi tarafından eşzamanlı olarak toplanır ve bilgisayara iletilir. Bilgisayar terminali, her bir sensörün senkronize ölçüm bilgilerini elde etmek için kontrol sırasını birleştirir.
2 Sistem donanımı tasarımı
2.1 Xsens MTw Awinda kiti
Xsens MTw Awinda atalet ölçüm geliştirme kiti, veri merkezi kontrol ünitesi Awinda Station ve çoklu atalet sensörleri MTw içerir. IEEE 802.15.4 tabanlı Kablosuz Awinda Protokolü, Awinda İstasyonuna veri iletimini sağlar. Her MTw birimi arasındaki veri toplama senkronizasyon hatası 10 s'den az. Ünitenin dahili örnekleme hızı 1800 Hz'dir. Awinda Station, iki senkron çıkış portu, Senk Çıkış Hattı 1 ve Senkron Çıkış Hat2 olmak üzere, dışarıya kontrol sinyalleri gönderen 4 BNC senkron I / O portu içerir Kontrol sinyalleri, veri toplandığında Awinda İstasyonunun dahili veri çerçevesi dönüşümünden (Çerçeve Geçişi) türetilir. Her bir hesaplama döngüsünde veri çerçevesi dönüştürmenin bittiği zaman.
MT Manager, atalet sensörü bilgilerini izlemek için yerleşik Mesaj Terminalini (Cihaz Mesaj Terminali) kullanan MTW Awinda ile etkileşimli bir kontrol arayüzüdür, MTW'nin kablosuz güncelleme hızını ve Awinda Station'ın senkronizasyon sinyali tetikleme modunu ayarlayabilirsiniz.
Çok sayıda literatüre göre, MEMS IMU'ya dayalı yaya navigasyonu ve konumlandırma çalışmalarının çoğu, ölçüm platformu olarak Xsens atalet hareket sensörlerini kullanır.
2.2 Değişen kontrol panosu
Bu cihaz, çekirdek kontrol modülü olarak iki Arduino geliştirme kartı kullanır. Biri ultrasonik verilerin toplanması ve iletilmesinden sorumlu olan ultrasonik veri ölçüm ve iletim terminali olarak kullanılır ve sizinle birlikte taşınır. Diğeri, Awinda Station ile senkronize olan bir ultrasonik veri alıcısı olarak kullanılır.
2.3 Değişen modül
Ayaklar arası mesafe ölçüm sahnesinin gereksinimlerine yanıt olarak, bu cihaz ölçüm için ultrasonik mesafe ölçüm yöntemini kullanır. 3 cm ila 6 m arasında değişen Devantech SRF10, filtreleme ve gürültü azaltma işlevli hassasiyet 1 cm, sonda ışın açısı 72 °, 400ST100 verici prob, 400SR100 alıcı prob ve kontrol devresi 3 ana parça dahil, I2C protokolü aracılığıyla veri iletişimi . Aynı I2C veriyoluna bağlı SRF10 için farklı I2C adresleri konfigüre edilmelidir. Arduino ve SRF10 arasındaki I2C adres dönüşümüne dikkat edin.
Aralık aralığı ve analog kazanç, SRF10 kaydı aracılığıyla değiştirilebilir ve uygun parametreler ölçüm hatalarını azaltabilir. Kazanç ayarı ne kadar büyükse, zayıf yankıları alma hassasiyeti o kadar yüksek olur.
Normal yürüyüş koşulları altında adım mesafesinin gerçek zamanlı ölçümüne uyum sağlamak için, SRF10 verici probu ile kontrol çipi arasındaki bağlantı uzatılır ve bir çapraz ışın ultrasonik modüle dönüştürülür. Ölçüm hatasını kalibre etmek için lazer aralığı kullanılarak ölçülen mesafe ile gerçek mesafe arasındaki ilişki Şekil 2'de gösterilmiştir. Gerçek mesafe 20 cm'den az olduğunda, ölçülen değerin sapması büyüktür.
Ultrasonik aralık modülünün yönlülük testi Şekil 3'te gösterilmektedir. Değiştirilmiş SRF10, alıcı-verici probları arasındaki bağıl açı 50 ° dahilinde olduğunda daha iyi aralık sonuçları alabilir. Modifiye edilmiş iki mesafe ölçüm modülü, kurulum sırasında belirli bir açıyla ayrılır Uzaklık ölçüm diyagramı Şekil 4'te gösterilmektedir ve mesafe ölçüm modülünün probları arasındaki açı 'dır. Birden fazla ön test gerçekleştirin Adım aralığı 10 cm 100 cm olduğunda, yürürken normal veri toplamayı sağlamak için açısı 60 ° 100 ° 'ye ayarlanır. Bu sistem platformunda, dahili açı 90 ° 'ye ayarlanmıştır.
I2C veriyolundaki hem SCL hem de SDA, 1,8 k çekme direnci ile yüksek bir seviyede kenetlenir.SRF10'un SCL ve SDA pinleri sırasıyla Arduino analog pinleri A5 ve A4'e bağlanır ve iki SRF10, bir I2C veriyolu olarak hizmet etmek için paralel olarak bağlanır. Makineden. Modül ultrasonik toplama verisi gönderdiğinde, veri aktarımını sağlamak için I2C'nin SDA'sı yükseğe çekilir.Aralık sonucu elde edildikten sonra, SRF10 I2C veriyoluna tekrar yanıt verir.Bu, sistem gecikmesinin belirlenmesi ve senkronizasyonun sağlanması için çok önemlidir.
2.4 Kablosuz iletim modülü
nRF24L01, bir GFSK tek çipli radyo frekansı alıcı-verici çipidir. Çalışma frekansı bandı 2,4 ~ 2,5 GHz ISM'dir. Kanal ve ayar protokolü, SPI arabirimi aracılığıyla seçilir. SPI arabirimi, ana-bağımlı modunda, tam çift yönlü modda çalışır ve eşzamanlı saat vuruşları ile kablosuz verileri iletir Veri akışındaki sinyal sembollerinin göreceli konumları sabittir. Güç açıldıktan sonra, modülü CE arabirimi aracılığıyla yapılandırın Cihaz, veri yanıtı ve yeniden iletim işlevlerini kontrol etmek için gelişmiş ShockBurstTM modunu kullanır.
İki nRF24L01 sırasıyla gönderici ve alıcı olarak kullanılır.Her döngüde toplanan iki dizi bilgi aynı anda uzaktan iletilir. Verinin gerçek boyutu 8 B'dir.
2.5 Donanım dönüşümü ve hedef ekipmanın eşleştirilmesi
Sistem donanım yapısı şeması Şekil 5'te gösterildiği gibi gösterilmektedir.
Bu cihaz, modüller arasında normal iletişim sağlamak için TI TXS0108E çift yönlü seviye dönüştürme çipini kullanır ve maksimum veri hızı 110 Mb / s (push-pull), 1.2 Mb / s (açık boşaltma) şeklindedir. Çip A bağlantı noktası, VCCA pininin güç kaynağı voltajını izler ve 3,3 V voltaj değeri pimine bağlanır. Port B, VCCB pininin güç kaynağı voltajını izler ve 5 V voltaj değeri pimine bağlanır. Çıkış, OE pin girişlerinin yüksek seviyede olmasını sağlar.
Donanım yapısı, veri toplama, alma ve işleme bölümlerine ayrılmıştır. Modifiye edilmiş karşılıklı ışın demeti SRF10 ultrasonik menzil modülü alıcı-verici probları sırasıyla farklı Xsens MTw'lere takılır, problar arasındaki bağlantı gövde etrafındaki sihirli tokalarla sabitlenir ve Xsens MTw üst kısma yerleştirilir. Kendi kendine tasarlanmış montaj düzeneği, verici ve alıcı problar arasındaki açıyı ayarlama işlevine sahiptir. MTw koordinat sistemi ve ekipmanın kurulumu Şekil 6'da gösterilmektedir.
3 Veri toplama ve işleme akışı
Sistemin ana iş akışı: ekipmanın giyilmesi ve kurulması, hedef hareket ve veri toplama, kablosuz veri iletimi, veri füzyonu, veri depolama ve işlemedir. Şekil 7, ekipman veri toplama ve iletim sürecini göstermektedir. Toplanan hareket verileri, ultrasonik veri alıcı uca ve IMU veri alıcı uca kablosuz olarak iletilir ve bilgisayar, senkronizasyon işleme ve veri hesaplama için zaman damgası ve IMU atalet hareketi parametresi bilgileri ile birlikte ultrasonik aralık bilgilerini alır.
Şekil 8, MT Yöneticisi senkronizasyon sinyali tetikleme modu ayarını gösterir Awinda Station, Senkronizasyon Çıkış Hattı 1 aracılığıyla dışarıya yükselen kenar senkronizasyon sinyali gönderir Gönderme döngüsü, IMU veri güncelleme döngüsü ile aynı olan 10 ms'dir ve sinyal puls genişliği 1 ms'dir. Awinda Station, kaydı başlatma komutu verildiğinde veri toplamaya ve hesaplamaya başlar ve veri kaydı sırasında Awinda Station'ın sistem saatinin doğru bir şekilde elde edilmesini sağlamak için Aralıklı Geçiş Kaydı senkronizasyon yöntemini kullanır.
Bir yandan, ultrasonik veri alan uç Arduino, 1 ms senkronizasyon doğruluğu ile edinim süresinin hassas senkronizasyonunu elde etmek için Awinda Station'ın her çerçevesinin senkron çıkışının yükselen kenar sinyalini saymak için dahili bir kesinti kullanır. İki ultrasonik aralık verisi alındıktan sonra, o andaki aralık değeri ve sayma sonucu, orijinal verileri elde etmek için aynı anda çıkarılır. Ultrasonik veri alıcısının Arduino programı akış şeması Şekil 9'da gösterilmektedir. İki MTw kablosuz atalet sensörünün eylemsiz veri güncelleme frekansı 100 Hz'dir. Öte yandan, Awinda Station toplanan atalet verilerini bilgisayara gönderir ve dosya her MTW sensörünün (Sensör Bileşeni Okuma) çıktısını içerir.
SRF10, tam mesafe verilerini ms cinsinden toplar ve veri işleme sırasında bunları mesafe ölçüm değerlerine dönüştürür. İki SRF10, aynı anda aralık değiştirirken parazite neden olabileceğinden, aralık zaman aralığı 20 ms olarak ayarlanır.Her aralık tamamlandığında, gönderen uç, iki farklı veriyi aynı anda alıcı uca iletir.SRF10 aralık periyodu ve ultrasonik veriler gönderilir. Periyot 50 ms'dir.
Ultrasonik aralık frekansının seçimi için aşağıdaki noktaları göz önünde bulundurun: (1) Sıradan bir insan normal bir hızda yürüdüğünde, tam bir yürüyüş döngüsü yaklaşık 1,2 s ~ 1,8 s'dir ve yerden herhangi bir ayağın kalkma süresi yaklaşık % 31,8; (2) Çeşitli sporlardaki (yürüme, koşma gibi) insan adımlarına göre, modülün mesafe ölçüm aralığı 2 m'ye ayarlanmıştır ve mesafe ölçüm modülünün verileri işlemek için yaklaşık 5,8 ms'ye ihtiyacı vardır, bu nedenle SRF10 ultrasonik mesafe ölçümü Döngü sayısı bu süreden daha az olamaz.Analog kazancı modülün algılama frekansı ve değişen aralık parametrelerine uyacak şekilde ayarlayın; (3) Ultrasonik aralık modülünün çıkış frekansı ve Awinda İstasyonunun çıkış frekansı, veri aktarımına uyması için bir tam sayı katına ayarlanmıştır. .
Ultrasonik veri gönderme sonunda, SRF10'un verileri aldıktan sonra (programda 20 ms'ye ayarlı) ölçüm verilerini kayıttan okumak için bir süre geciktirmesi ve ultrasonik prob çalışmaya başladığında nabız sinyalini ve ultrasonik veri alımını algılamak için osiloskopu kullanması gerekir. Arduino, verilerin nabız sinyalini alır ve cihaz veri aktarım işleminin ortalama süresini almak için toplam 21,5 ms sürer.Ekstra 1,5 ms esas olarak kablosuz iletim sürecinde harcanan süredir.SRF10'un belirli başlangıç ve aralık zamanını belirlemek için verilere dayanarak, Değişen veriler, eşzamanlı toplamayı tamamlamak için IMU verileriyle birleştirilir.
Ekipman senkronizasyon süreci Awinda Station'ın dahili saatine dayanır ve ultrasonik aralık süresi en hızlı 30 ms'ye ayarlanabilir.
4 Ekipman veri toplama ve işleme
İnsan vücudunun normal yürüyüş koşulları altında gerçek zamanlı ayak mesafesini ölçmek için iki SRF10 kullanın.Ultrasonik probun ışın açısı nedeniyle, cihaz modülünün kurulum yöntemi için aynı anda iki ölçüm değeri elde edilebilir ve bunların bir yürüyüş döngüsü içinde belirlenmesi gerekir Nispeten doğru ölçüm değeri. Buradaki fikir, Xsens MTw tarafından toplanan atalet hareketi parametrelerini birleştirmek ve sıfır hız algılama algoritmasını (Sıfır Hız Algılama) uygulayarak ayakların yerde nispeten sabit kaldığı süreyi elde etmek ve böylece adım hareketi yasasını elde etmektir.
Veri toplama testi için bu giyilebilir cihazı kullanmak için yukarıdaki sıfır hız algılama algoritmasını kullanın, sabit bir hızda (yaklaşık 5 km / s) düz bir çizgi boyunca yürüyün, veri süresi uzunluğunu 10 sn seçin ve Şekil 10'da gösterildiği gibi insan vücudu hareket verisi sonucunu ölçün.
Şekil 10 (a) ve 10 (b) sırasıyla sol ayağın MTw'si ve sağ ayağın MTw'si ile ölçülen ivmeölçerin üç eksenli çıktısını ve sıfır hız algılama algoritması ile belirlenen iniş aşamasındaki ayağın durumunu gösterir. Yere dokunmak, yere inmek, ayağı kaldırmak ve sallanmak gibi periyodik yürüyüş. Şekil 10 (c), iki ultrasonik mesafe ölçüm modülü ile elde edilen mesafe ölçüm değerlerini göstermektedir.Ses dalgası yansıma mesafesi ölçümünün özelliklerinden dolayı, gerçek ölçüm değerinde bazı uç değerler bulunmaktadır. İki modülün değişen sonuçları, yürüyüş bilgilerine göre aşağıdaki şekilde seçilir ve işlenir: (1) Eylemsizlik sensörünün çıktısına göre her adımın yönünü değerlendirmek; (2) Yürüme yönünü normal şartlar altında örnek olarak almak, bir Ayak, sadece yere değme anında çapraz olarak diğer ayağın önüne konumlandırılmıştır.Yukarıda belirtilen modül kurulum koşullarına göre bu anda açı ölçüm pozisyonunu karşılayan modülün mesafe ölçüm değerini seçin; (3) Her adım için yukarıdaki işlemleri ayakları birleştirerek yapın Göreceli konum değişikliği yasası nihayet ayaklar arasındaki mesafenin gerçek zamanlı ölçüm değerini elde eder ve aynı zamanda bazı aykırı değerleri ortadan kaldırır ve nihai ölçüm sonucu Şekil 10 (d) 'de gösterilmiştir.
5. Sonuç
Sistem, yaya hareketi sırasında ayaklar arasındaki mesafeyi gerçek zamanlı olarak doğrudan ölçmek ve yaya navigasyon verilerinin eşzamanlı olarak toplanmasını gerçekleştirmek ve yaya navigasyonu için yeni bir kısıtlama koşulu olarak adım mesafesini kullanarak araştırma çalışmasını teşvik etmek için atalet ölçüm birimi ve ultrasonik mesafe ölçüm sensörünü entegre eder. Kablosuz iletişim modülü, verilerin uzaktan depolanmasını ve işlenmesini gerçekleştirir ve yanınızda bir bilgi işlem terminali taşımanıza gerek yoktur.Yıpranması daha hafiftir ve veri toplama, giyilebilir vücut hareket ölçümünün gereksinimlerini karşılayan stabil ve güvenilirdir. Bu donanım platformuna dayalı olarak, daha fazla çalışma şunları içerir: (1) Birden fazla yürüyüş durumu için, daha karmaşık açılarda ayak mesafesini ölçmek için daha fazla ultrasonik alıcı-verici modülleri kullanılır; (2) Genel platform, mükemmel gezinme için modüler hale getirilme eğilimindedir Ayakkabı işlevi fikirler sağlar ve veri işleme parçası, gerçek kullanım gereksinimlerine göre diğer ekipman terminallerine aktarılabilir.
Referanslar
LAVERNE M, GEORGE M, LORD D, ve diğerleri.Yaya izlemede ayaktan ayağa mesafe ölçümlerinin deneysel doğrulaması Navigasyon Enstitüsü Uydu Bölümü 24. Uluslararası Teknik Toplantısı Bildirileri, Portland, OR, Eylül, 2011: 1386 -1393.
GIRISHA R, PRATEEK G V, HARI K, et al.Çift ayaklı sıfır hız güncelleme destekli eylemsiz navigasyon sistemlerinin navigasyon bilgilerinin birleştirilmesi. Uluslararası Sinyal İşleme ve İletişim Konferansı. IEEE, 2014: 1-6.
PRATEEK G V, GIRISHA R, HARI K V S, et al. Sistematik başlık sapmasını azaltmak için çift ayaklı INS'nin veri füzyonu. 4. Uluslararası Akıllı Sistemler, Modelleme ve Simülasyon Konferansı. IEEE, 2013: 208-213.
SKOG I, NILSSON JO, ZACHARIAH D, ve diğerleri.İki navigasyon sisteminden gelen bilgileri, maksimum uzamsal ayrımlarında bir üst sınır kullanarak birleştirmek. Uluslararası İç Mekan Konumlandırma ve İç Mekan Navigasyonu Konferansı.IEEE, 2012, 68 (2): 1-5 .
SUPINO R, HORNING R D.Adım vektörü kullanarak kişisel navigasyon yöntemi: US, US8078401
, 2011-12-13.
GODHA S, LACHAPELLE G. Yaya navigasyonu için ayaklı atalet sistemi Ölçüm Bilimi ve Teknolojisi, 2008, 19 (7): 075202.
SKOG I, HANDEL P, NILSSON JO, ve diğerleri. Sıfır hız algılama - bir algoritma değerlendirmesi Biyomedikal Mühendisliği IEEE İşlemleri, 2010, 57 (11): 2657-2666.
yazar bilgileri:
Zhou Luyang 1, 2, 3, Hu Yigong 2, Wu Yuanxin 2, 3
1. Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi, Orta Güney Üniversitesi, Changsha 410083, Hunan;
2. Elektronik Bilgi ve Elektrik Mühendisliği Okulu, Shanghai Jiaotong Üniversitesi, Shanghai 200240;
3. Shanghai Beidou Navigasyon ve Konum Hizmetleri Anahtar Laboratuvarı, Shanghai 200240;
