本發(fā)明屬于電子測(cè)量裝置制造領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可多臺(tái)并行工作的多維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

從人群到飛鳥(niǎo)、游魚(yú)、昆蟲(chóng)、細(xì)菌，自然界中廣泛存在著豐富的群體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，相互聯(lián)系而不斷運(yùn)動(dòng)的個(gè)體所組成的系統(tǒng)涌現(xiàn)出豐富多彩而高度協(xié)調(diào)的群體運(yùn)動(dòng)行為。自然界群集動(dòng)力學(xué)行為所展現(xiàn)出的驚人的魅力，為工業(yè)、社會(huì)群體的認(rèn)識(shí)和優(yōu)化提供了豐富的思想源泉。從應(yīng)用角度出發(fā)，作為當(dāng)今物理科學(xué)、自動(dòng)化科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、等交叉領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向，深入理解自然界群集構(gòu)型演化機(jī)理或?qū)⑼苿?dòng)群體機(jī)器人協(xié)同技術(shù)的深刻變革，對(duì)于無(wú)人系統(tǒng)控制、區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用、人體群體行為調(diào)控疏導(dǎo)等領(lǐng)域提供十分可觀的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，廣泛的研究關(guān)注于大規(guī)模個(gè)體組成的群體產(chǎn)生的群集運(yùn)動(dòng)行為，研究重點(diǎn)在于理解群集運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理和內(nèi)部潛在機(jī)制，而研究的基礎(chǔ)在于，需要大量準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此建立完善的實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對(duì)于群集運(yùn)動(dòng)的分析有著舉足輕重的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種可多臺(tái)并行工作的多維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量裝置，其目的在于，通過(guò)多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元并行采集工作，實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)顯示，相比傳統(tǒng)的單線采集，效率倍增。

一種可多臺(tái)并行工作的多維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量裝置，包括多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元、路由器和上位機(jī)，數(shù)據(jù)采集單元、路由器和上位機(jī)構(gòu)成一個(gè)無(wú)線局 域網(wǎng)；多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元用于并行地采集群集運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，路由器用于將采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)；上位機(jī)用于顯示運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；

所述數(shù)據(jù)采集單元包括三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸磁力計(jì)；三軸陀螺儀用于采集被測(cè)物體的三軸角速度，三軸加速度計(jì)用于采集被測(cè)物體的三軸加速度，三軸磁力計(jì)用于采集磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向；所述數(shù)據(jù)處理模塊用于將角度信息、磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向、加速度、角速度通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊傳送給上位機(jī)。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括卡爾曼濾波子模塊、角速度校正子模塊和姿態(tài)解算子模塊；

所述卡爾曼濾波子模塊用于融合角速度和加速度進(jìn)行卡爾曼濾波以消除誤差；

所述角速度校正子模塊用于將采集的磁場(chǎng)記為若使X軸對(duì)準(zhǔn)北方，那么b_y＝0，即設(shè)磁力計(jì)在參考坐標(biāo)系中的輸出為在參考坐標(biāo)系XOY平面中的投影為b_x，在參考坐標(biāo)系XOY平面中的投影為則b_z＝h_z；將轉(zhuǎn)換到自身坐標(biāo)系中得到 然后再將與磁力計(jì)自身坐標(biāo)系輸出做向量積求誤差計(jì)算修正參數(shù)δ＝K_Pe+K_I∫e,K_p為比例系數(shù)，K_I為積分系數(shù)；修正角速度w＝w_a+δ；

姿態(tài)解算子模塊，用于將修正后的角速度以四元數(shù)形式輸出，依據(jù)四元數(shù)形式的角速度計(jì)算角度。

進(jìn)一步地，所述卡爾曼濾波子模塊采用角速度積分得到的角度和陀螺儀常值偏差E作為狀態(tài)向量。

進(jìn)一步地，修正后的角速度以四元數(shù)形式輸出：

[q₀,q₁,q₂,q₃]^T為四元數(shù)，t為采樣周期，Δt為采樣間隔，w_x,w_y,w_z分別是修正后的角速度w在x、y、z軸的分量。

進(jìn)一步地，所述姿態(tài)解算子模塊用于將修正后的角速度以四元數(shù)形式輸出依據(jù)四元數(shù)形式的角速度計(jì)算角度： α:z軸偏航角，θ:y軸俯仰角，軸滾轉(zhuǎn)角。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)通信模塊采用WI-FI傳輸方式。

進(jìn)一步地，還包括連接數(shù)據(jù)處理模塊的存儲(chǔ)模塊。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元與上位機(jī)、路由器構(gòu)成無(wú)線局域網(wǎng)，多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元并行采集工作，實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)顯示，相比傳統(tǒng)的單線采集，效率倍增。

(2)陀螺儀用于測(cè)量設(shè)備自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但不能確定設(shè)備的方位。加速計(jì)測(cè)量設(shè)備的受力情況但用來(lái)測(cè)量設(shè)備相對(duì)于地面的擺放姿勢(shì)，則精 確度不高。磁力計(jì)可定位設(shè)備的方位，測(cè)量出當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個(gè)方向上的夾角。按照一種較佳實(shí)施方式，本發(fā)明通過(guò)上述傳感器，測(cè)量出運(yùn)動(dòng)個(gè)體的加速度、角速度、以及所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，通過(guò)卡爾曼濾波，融合加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)，借助磁力計(jì)數(shù)據(jù)補(bǔ)償可以有效抑制因積分和漂移產(chǎn)生的誤差帶來(lái)的影響，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

(3)這里優(yōu)選采用的無(wú)線傳輸方式為WI-FI，WI-FI是一種允許電子設(shè)備連接到一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的技術(shù)，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM射頻頻段。連接到無(wú)線局域網(wǎng)可以有密碼保護(hù)，也可是開(kāi)放的，無(wú)線局域網(wǎng)允許在WLAN范圍內(nèi)的傳感器設(shè)備進(jìn)行連接，并可以在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象(水生運(yùn)動(dòng)個(gè)體)的運(yùn)動(dòng)信息，特別適用于獲取水下生物運(yùn)動(dòng)信息。

(4)優(yōu)選采用WI-FI無(wú)線傳輸模式，減少設(shè)備之間的連線，通過(guò)將設(shè)備附著與運(yùn)動(dòng)個(gè)體表面，隨之運(yùn)動(dòng)，采用WI-FI無(wú)線傳輸方式，利于多臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸以及多臺(tái)設(shè)備組網(wǎng)。同時(shí)，若超出范圍或通訊收到影響時(shí)，可采用離線模式，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于內(nèi)部SRAM，記錄、傳輸方式可靠。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明可多臺(tái)并行工作的多維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量裝置的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明數(shù)據(jù)采集單元的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明測(cè)量流程圖；

圖4為本發(fā)明上位機(jī)接收數(shù)據(jù)顯示的效果圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可 以相互組合。

圖1是本發(fā)明可多臺(tái)并行工作的多維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量裝置的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖。裝置包括電源1、多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元2、路由器3和上位機(jī)4。電源1為多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元2供電，多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元2并行地采集群集運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，路由器3將采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。

數(shù)據(jù)采集單元包括采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)通信模塊。所述數(shù)據(jù)采集模塊包括三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸磁力計(jì)；三軸陀螺儀用于采集被測(cè)物體的三軸角速度，三軸加速度計(jì)用于采集被測(cè)物體的三軸加速度，三軸磁力計(jì)用于采集磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。所述數(shù)據(jù)處理模塊用于將角度信息、磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向、加速度、角速度通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊傳送給上位機(jī)。

數(shù)據(jù)處理模塊包括卡爾曼濾波子模塊、角速度矯正子模塊和角度解算模塊。下面對(duì)各子模塊詳細(xì)說(shuō)明。

(1)卡爾曼濾波子模塊

加速度計(jì)的輸出實(shí)際包括運(yùn)動(dòng)方向的加速度和重力加速度分量的疊加。這些干擾信號(hào)疊加在測(cè)量信號(hào)中會(huì)使輸出信號(hào)無(wú)法得出準(zhǔn)確的角度，在測(cè)量時(shí)，輸出的結(jié)果在實(shí)際傾角附近波動(dòng)。同時(shí)加速度計(jì)輸出和陀螺儀輸出是互相彌補(bǔ)的關(guān)系：加速度計(jì)可以克服陀螺儀輸出零點(diǎn)受溫度影響的缺陷，使積分輸出信號(hào)的誤差大大減少，而陀螺儀則可以減少加速度計(jì)輸出噪聲，大大的低了靜態(tài)輸出噪聲。為了得到所需要的準(zhǔn)確角度數(shù)據(jù)需要融合MPU6050的陀螺儀數(shù)據(jù)，利用陀螺儀可以測(cè)得運(yùn)動(dòng)個(gè)體的角速度，進(jìn)而對(duì)角速度積分可以獲得角度，但是這里如果只通過(guò)積分運(yùn)算獲得角度數(shù)據(jù)，由于角速度信號(hào)可能存在的微小偏差和漂移經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算之后逐漸累積，隨著時(shí)間的推移，測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差將越來(lái)越大，最后無(wú)法得到可用的數(shù)據(jù)。為了消除這個(gè)誤差，在此采用卡爾曼濾波方法。

卡爾曼濾波有兩類(lèi)方程：預(yù)測(cè)方程和更新方程。預(yù)測(cè)方程根據(jù)之前的 狀態(tài)和控制量預(yù)測(cè)當(dāng)前狀態(tài)；更新方程表示相信傳感器數(shù)據(jù)多些還是相信總體估計(jì)值多些(由卡爾曼增益Kg決定)。濾波器的工作原理為：根據(jù)預(yù)測(cè)方程預(yù)測(cè)當(dāng)前狀態(tài)并用更新方程檢測(cè)預(yù)測(cè)結(jié)果。

預(yù)測(cè)方程：

X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)+BU(k)......(1)

P(k|k-1)＝AP(k-1|k-1)A^T+Q......(2)

更新方程：

K_g(k)＝P(k|k-1)H^T/(HP(k|k-1)H^T+R)......(3)

X(k|k)＝X(k|k-1)+K_g(k)(Z(k)-HX(k|k-1))......(4)

P(k|k)＝(I-K_g(k)H)P(k|k-1)......(5)

X為狀態(tài)向量。U為驅(qū)動(dòng)輸入向量，比如通過(guò)受力驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生加速度。A是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，隱含了(k-1)時(shí)刻的狀態(tài)會(huì)對(duì)(k)時(shí)刻的狀態(tài)產(chǎn)生影響。B是控制輸入矩陣，指示了(k)時(shí)刻給的驅(qū)動(dòng)量將如何影響(k)時(shí)刻的狀態(tài)。

●X(k)：n*1矩陣，表示k時(shí)刻的狀態(tài)向量；

●Z(k)：n*1矩陣，表示Kalman濾波器k+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)觀測(cè)向量輸入；

●X(k|k-1)：用觀測(cè)向量X在k時(shí)刻以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)k時(shí)刻的估計(jì)結(jié)果；●X(k|k)：用觀測(cè)向量X在k時(shí)刻及k時(shí)刻以前的數(shù)據(jù)對(duì)k時(shí)刻的估計(jì)結(jié)果，這也是Kalman濾波器的輸出；

●P(k|k-1)：n*n矩陣，表示觀測(cè)向量X的最小預(yù)測(cè)均方誤差矩陣；

●P(k|k)：n*n矩陣，表示觀測(cè)向量X的修正后最小均方誤差矩陣；

●Kg(k)：n*m矩陣，表示誤差增益因子；

●H：m*n觀測(cè)模型矩陣；即把真實(shí)狀態(tài)空間映射到觀測(cè)空間；

●Q：n*n過(guò)程噪聲協(xié)方差矩陣；

●R：m*m過(guò)程噪聲協(xié)方差矩陣；

●I：?jiǎn)挝痪仃嚕?/p>

在本發(fā)明中，上述公式中的狀態(tài)向量X將會(huì)融合加速度和角速度。因?yàn)榻嵌群徒撬俣却嬖趯?dǎo)數(shù)關(guān)系，則這里利用采集的角速度計(jì)算得到角度，采用計(jì)算的角度作為一個(gè)狀態(tài)向量，然后用加速度計(jì)估計(jì)出陀螺儀常值偏差E，并以此偏差作為另一個(gè)狀態(tài)向量，得到相應(yīng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程。

ω_ge:帶有偏差的角速度；

由加速度數(shù)據(jù)處理得到的角度

ω_g：陀螺儀測(cè)量噪聲；

ω_a：加速度計(jì)噪聲；

E：陀螺儀漂移誤差；

根據(jù)K-1時(shí)刻的角度值，由預(yù)測(cè)得到K時(shí)刻的角度值，進(jìn)而算出K時(shí)刻的噪聲的方程，通過(guò)卡爾曼濾波器融合了加速度計(jì)、陀螺儀數(shù)據(jù)，進(jìn)行迭代運(yùn)算直至估計(jì)出最可靠的角度值，再對(duì)估計(jì)出的最可靠角度值求導(dǎo)得到最可靠的角速度。

(2)角速度補(bǔ)償子模塊

若只通過(guò)加速度計(jì)、陀螺儀融合數(shù)據(jù)，會(huì)存在偏航角的誤差，在這里將引入磁力計(jì)的誤差補(bǔ)償，磁力計(jì)用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的大小和方向，在這里這個(gè)方向不再與重力加速度方向一樣豎直向下，與X軸、Y軸呈一夾角，與Z軸存在夾角。磁力計(jì)在自身坐標(biāo)系的輸出為若使X軸對(duì)準(zhǔn)北方，那么b_y＝0，即通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣將磁力計(jì)在自身坐標(biāo)系的輸出轉(zhuǎn)換為在參考坐標(biāo)系中的輸出為所述自身坐標(biāo)系到參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為：

在參考坐標(biāo)系XOY平面中的投影為b_x，在參考坐標(biāo)系XOY平面中的投影為則b_z＝h_z；將轉(zhuǎn)換到自身坐標(biāo)系中得到然后再將與磁力計(jì)自身坐標(biāo)系輸出做向量積求誤差計(jì)算修正參數(shù)δ＝K_Pe+K_I∫e,K_p為比例系數(shù)，K_I為積分系數(shù)；修正角速度w＝w_a+δ。

接下來(lái)利用修正后的角速度采用一階龍格庫(kù)塔法更新四元數(shù)。

這里假設(shè)有下列微分方程：

其解為

X[t+t]＝X[t]+t*f[X[t],w[t]]

t為采樣周期，套用至四元數(shù)，

K_p為比例系數(shù)，K_I為積分系數(shù)，t為采樣周期，Δt為采樣間隔，w_x,w_y,w_z分別是修正后的角速度w在x、y、z軸的分量。

通過(guò)卡爾曼濾波，融合加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)，借助磁力計(jì)數(shù)據(jù)補(bǔ)償可以有效抑制因積分和漂移產(chǎn)生的誤差帶來(lái)的影響，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

(3)姿態(tài)解算子模塊

為了實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算，這里利用三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)、三軸磁力計(jì)的采集數(shù)據(jù)，采用四元數(shù)的方法來(lái)進(jìn)行姿態(tài)解算。

所述四元數(shù)解算的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

地球的坐標(biāo)系又稱(chēng)為地理坐標(biāo)系，是固定不變的。正北，正東，正向上構(gòu)成了這個(gè)坐標(biāo)系的X、Y、Z軸，用坐標(biāo)系R表示。在這里，量裝置使用的是自身坐標(biāo)系r，通過(guò)四元數(shù)就可以描述R與r坐標(biāo)系之間的關(guān)系，進(jìn)而可以描述物體運(yùn)動(dòng)情況：

這里w為一實(shí)數(shù)，為坐標(biāo)向量，對(duì)應(yīng)前文的[q₀,q₁,q₂,q₃]^T。下面對(duì)四元數(shù)單位化：

假設(shè)有一任意旋轉(zhuǎn)軸的向量與旋轉(zhuǎn)角度θ，它們滿足如下關(guān)系：

x＝s*x_a

y＝s*y_a

z＝s*y_a

w＝cos(θ/2)

s＝sin(θ/2)

通過(guò)上述公式，多個(gè)旋轉(zhuǎn)的組合可以通過(guò)四元數(shù)的乘法來(lái)表示。

獲得采集的四元數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)下述公式可以解算得角度信息即x，y，z軸的傾角。

α＝arctan2(2wz+2xy,1-2y²-2z²)(1)

θ＝arcsin(2wy-2zx)(2)

α:z軸偏航角，θ:y軸俯仰角，軸滾轉(zhuǎn)角。

數(shù)據(jù)通信模塊采用WI-FI無(wú)線傳輸方式，按照一種較佳的實(shí)現(xiàn)方式，其結(jié)構(gòu)為：WI-FI傳輸模塊采用板載PCB天線，有效縮小天線尺寸，在無(wú)遮擋的情況下覆蓋距離達(dá)到400m，在較小尺寸封裝中集成了Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，可配合STM32使用。。

本發(fā)明裝置除了有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸模式，還有離線模式。設(shè)備在離線模式下，利用獨(dú)立電源供電，然后將所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)模塊，此時(shí)WI-FI模塊處于休眠模式，采集數(shù)據(jù)一段時(shí)間之后，上位機(jī)通過(guò)USB獲取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

為了適用于于水下測(cè)量，還進(jìn)行防水和防撞設(shè)計(jì)。采用硅膠封裝，硅酸凝膠是一種高活性吸附材料，除強(qiáng)堿、氫氟酸外不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，不溶于水和任何溶劑，無(wú)毒無(wú)味，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有其他材料不具備的性質(zhì)：吸附性能高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、有較高的機(jī)械強(qiáng)度。采用硅膠封裝，可以做成所期望的形狀，不需要再通過(guò)廠家進(jìn)行開(kāi)模生產(chǎn)外殼，降低成本。而且硅膠不溶于水，不易于其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，可以適應(yīng)水下環(huán)境需求。

實(shí)例：

圖2是本發(fā)明數(shù)據(jù)采集單元的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖。數(shù)據(jù)采集模塊采用MPU6050芯片22實(shí)現(xiàn)，MPU6050芯片自帶的三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)以及通過(guò)I2C擴(kuò)展的三軸磁力計(jì)21，經(jīng)由I2C總線將傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)以四元數(shù)的形式傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊采用STM32芯片23。采用WI-FI無(wú)線傳輸模塊傳輸至上位機(jī)4。存儲(chǔ)模塊采用16GB的SRAM。

如圖2所示，這里采用PC端作為上位機(jī)，借助開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件以及WI-FI模塊檢測(cè)到處于從設(shè)備的測(cè)量裝置，通過(guò)SSID掃描周?chē)膹脑O(shè)備，選擇連接的從設(shè)備。當(dāng)PC和STM32通過(guò)WI-FI連接路由器之后，STM32會(huì)一直向PC發(fā)送數(shù)據(jù)，接著PC端接收到數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化顯示，在上位機(jī)中，可以同時(shí)顯示XYZ三軸的角速度、加速度、磁力計(jì)數(shù)據(jù)，并可以保存所選取時(shí)間段的數(shù)據(jù)。一般架設(shè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本配備為無(wú)線網(wǎng)卡和一臺(tái)AP，即可組成無(wú)線局域網(wǎng)組網(wǎng)。只要所部署的無(wú)線傳感器沒(méi)有超出局域網(wǎng)的感知半徑，那么傳感器設(shè)備便可不用固定為一特定位置，從而可以伴隨運(yùn)動(dòng)個(gè)體一同運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)WI-FI在局域網(wǎng)內(nèi)傳輸測(cè)量信息。這種傳輸方式具有極強(qiáng)的靈活性和移動(dòng)性。在傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安放位置固定，而在無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)，只要處于信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)，設(shè)備都可接入網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線局域網(wǎng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于其移動(dòng)性，同時(shí)連接到無(wú)線局域網(wǎng)的用戶也可自由移動(dòng)且能同時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持連接。形成無(wú)線局域網(wǎng)之后，路由器作為AP將可以連接多個(gè)傳感器設(shè)備，同時(shí)，路由器在無(wú)線中繼器模式下，也起到了對(duì)信號(hào)的放大和重新發(fā)送，這樣無(wú)線網(wǎng)絡(luò)范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

一般無(wú)線路由器均有DHCP(動(dòng)態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議)，DHCP是一個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商自動(dòng)分配IP地址給用戶，以及用于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理員作為對(duì)所有連接設(shè)備進(jìn)行中央管理的手段。本發(fā)明中通過(guò)DHCP配置網(wǎng)絡(luò)中的局域網(wǎng)中設(shè)備的IP、網(wǎng)關(guān)等相關(guān)設(shè)置。通過(guò)路由器判斷STM32傳來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔，若時(shí)間間隔大于20ms，則認(rèn)為一幀結(jié)束；否則，一直到接收數(shù)據(jù)達(dá)到上限值2KB，認(rèn)為一幀結(jié)束。在ESP8266模塊判斷UART傳來(lái)的數(shù)據(jù)一幀結(jié)束后，通過(guò)WI-FI接口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。整個(gè)過(guò)程ESP8266只負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳到目標(biāo)地址，不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)送方和接收方的數(shù)據(jù)內(nèi)容、長(zhǎng)度完全一致，傳輸過(guò)程擁有良好的透明性。

在傳輸數(shù)據(jù)之前，需要通過(guò)路由器建立起傳感器設(shè)備和PC端之間的聯(lián) 系。此時(shí)，我們需要配置路由器，例如網(wǎng)絡(luò)名稱(chēng)(SSID)、安全模式、密鑰(Password)。配置好路由器之后，將PC和傳感器設(shè)備接入路由器，然后通過(guò)WEB端查看已連接的設(shè)備。設(shè)備連接進(jìn)網(wǎng)絡(luò)之后，對(duì)傳感器設(shè)備的WI-FI模塊進(jìn)行目的IP、目的端口、串口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。作為目的設(shè)備的PC將對(duì)路由器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，最后將數(shù)據(jù)通過(guò)軟件進(jìn)行可視化顯示。理論上WI-FI連接設(shè)備數(shù)目由IP地址數(shù)目決定，一個(gè)地址池有多少I(mǎi)P地址就可以連接多少無(wú)線設(shè)備。通過(guò)IP地址的合理劃分，WI-FI就能夠連接大量傳感器設(shè)備，可以用于處理多臺(tái)并行工作的傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。

參見(jiàn)圖3，數(shù)據(jù)測(cè)量與采集過(guò)程如下：

第一步：使用硅膠密封傳感器設(shè)備，以捆綁的方式將設(shè)備附著于運(yùn)動(dòng)個(gè)體。

第二步：裝置中MPU6050自帶的3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)以及通過(guò)I2C擴(kuò)展的磁力計(jì)，從加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀相關(guān)寄存器獲取的數(shù)值，將數(shù)據(jù)直接傳輸給STM32。

第三步：STM32在接收到I2C總線傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)之后，通過(guò)卡爾曼濾波，融合加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)誤差、抑制陀螺儀零漂。接著利用磁力計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)融合后的角速度進(jìn)行補(bǔ)償，更新四元數(shù)。進(jìn)而進(jìn)行姿態(tài)解算。

第四步：STM32對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算之后，采用WI-FI通信方式將數(shù)據(jù)傳輸給PC端。

第五步：在傳輸數(shù)據(jù)之前，將PC和傳感器設(shè)備接入路由器，然后通過(guò)WEB端查看已連接的設(shè)備。設(shè)備連接進(jìn)網(wǎng)絡(luò)之后，對(duì)傳感器設(shè)備的WI-FI模塊進(jìn)行目的IP、目的端口、串口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

第六步：設(shè)置動(dòng)態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)來(lái)給連接入路由器的設(shè)備自動(dòng)分配IP地址并可對(duì)所有設(shè) 備進(jìn)行中央管理。UDP為面向無(wú)連接的通信(速度快)，只向指定的IP(每一臺(tái)電腦都有自己的IP地址)地址發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)即可發(fā)送到指定的電腦。

第七步：上位機(jī)從指定的端口接收到數(shù)據(jù)如圖4所示。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。