基于便攜性與實用性考慮，提出一種新的步行者航位推算裝置設計。使用三維加速度計與電子羅盤集成芯片ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ和陀螺儀集成芯片ＭＰＵ３０５０對步行者的實時運動信息進行采集，采用具有ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３內核的ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６單片機收集傳感器數據并對數據進行航位推算處理，將步行者航跡信息顯示于ＴＦＴＬＣＤ上。實驗證明，該裝置具有較高的推算精度，能滿足實際應用需求。

　　１、系統組成與工作原理

該步行者航向推算裝置主要由三維傳感器模塊、數據轉換模塊與處理模塊組成，具體的組成框圖如圖１所示。三維傳感器模塊上分為三軸加速度計與電子羅盤集成芯片ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ、陀螺儀集成芯片ＭＰＵ３０５０，以及用于數據處理的單片機ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６。實際工作時，三軸傳感器模塊置于步行者腰間，三維加速度計用于采集前左上三個方向上的加速度，用于計算模塊的俯仰角與傾斜角，以及步行者的步數統計與步幅估計；電子羅盤采集步行者實時航向角數據；陀螺儀測出單位時間內三軸角速度以校正計算出的俯仰角與傾斜角；單片機負責對傳感器的原始數據進行轉換處理，采用串口與數據處理模塊進行通信。數據處理模塊核心也采用了單片機ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６，在與三維傳感器模塊串口通信的同時，將航位推算所需的數據通過ＦＡＴ３２文件系統存于ＳＤ卡中。顯示模塊采用的是ＴＦＴＬＣＤＩＬＩ９３２０，當步行者需要查看當前的航位信息時，單片機可通過ＦＡＴ３２文件系統從ＳＤ卡中調出原始數據，進行航位推算處理，最終將步行者的航跡顯示于ＴＦＴＬＣＤ上。

　　圖１系統組成框圖

　　２、硬件設計

　　２．１、主控芯片及外圍電路設計

　　主從單片機都采用ＳＴ公司生產的具有ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３內核的工業級控制芯片ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６，它具有７２ＭＨｚ時鐘主頻，內部ＲＯＭ存儲容量為１２８ＫＢ，ＲＡＭ存儲容量為２０ＫＢ。它具有８個定時計數器，３個ＳＰＩ、２個Ｉ２Ｃ總線、３個ＵＡＲＴ、１個ＵＳＢ、１個ＣＡＮ總線等通信端口，這些通信端口完全能滿足本系統在設計過程中的需要。

　　ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６芯片由３．３Ｖ電壓供電，而外部電源為５Ｖ電池，因此采用降壓芯片ＡＭＳ１１１７－３．３，它能將輸出電壓降低并且穩定在３．３Ｖ，精度為１％。

　　２．２、三維傳感器模塊設計

　　ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ芯片可在２．１６～３．６Ｖ低電壓下正常工作，其內置三軸加速度計，量程為±２ｇ～±１６ｇ。電子羅盤量程可為±１．３～±８．１ｇａｕｓｓ，單片機通過ＳＣＬ、ＳＤＡ引腳與其進行Ｉ２Ｃ總線通信，編程寄存器ＣＴＲＬ＿ＲＥＧ４內容可設置三軸加速度計量程，編程寄存器ＣＲＢ＿ＲＥＧ＿Ｍ內容可設置電子羅盤量程，其外圍電路如圖２所示。

　　圖２ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ外圍接口原理圖

　　ＭＰＵ３０５０能在２．１～３．６Ｖ低電壓下正常工作，其內置的陀螺儀可測出三軸方向上±２５０～±２０００°／ｓ的角位移，通過編程其寄存器ＤＬＰＦ＿ＦＳ可以選擇陀螺儀工作的量程，同時單片機通過Ｉ２Ｃ總線，可從Ｘ＿ＯＦＦＳ＿ＵＳＲＨ／Ｌ、Ｙ＿ＯＦＦＳ＿ＵＳＲＨ／Ｌ、Ｚ＿ＯＦＦＳ＿ＵＳＲＨ／Ｌ這６個數據寄存器讀出三軸原始數據，其外圍電路如圖３所示。

　　圖３ＭＰＵ３０５０外圍接口原理圖

　　２．３、數據存儲及顯示模塊設計

負責航位推算的主單片機與三維傳感器模塊上的從單片機通過串口進行通信，它們被設置為相同的波特率。由于ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６的內置ＲＡＭ容量只有２０ＫＢ，而航位推算過程中使用的數據容量遠大于其內存容量，所以采用ＦＡＴ３２文件系統，把主單片機接收的數據存入ＳＤ卡中，單片機通過ＳＰＩ接口存入或讀出數據，數據存儲模塊的原理圖如圖４所示。

　　圖４數據存儲模塊原理圖

　　顯示模塊采用了Ｉｌｉｔｅｋ公司生產的ＴＦＴＬＣＤＩＬＩ９３２０，分辨率為３２０×２４０，正常工作電壓為３．３Ｖ，采用１６位雙向數據線，單片機通過ＷＲ引腳向ＴＦＴＬＣＤ里寫入數據，通過ＲＤ引腳讀出數據，顯示模塊的原理圖如圖５所示。

　　圖５顯示模塊原理圖

　　３、軟件設計

　　３．１、航跡推算原理

　　步行者的運動通常可以認為是二維運動［４］，步行者一個步伐周期內的兩個落腳點間的連線可以認為是直線，數據采樣時間為一個步伐周期時，已知步行者上一采樣周期末的方位信息與本次采樣周期內步伐長度與航向角信息，可以推算出本次采樣周期末步行者的方位信息。以二維ｘ－ｙ坐標平面表示，設步行者初始時刻的方位為（ｘ０，ｙ０），任意時刻ｔ的方位為（ｘｔ，ｙｔ），步行者每個采樣周期內的步長為Ｓ，航向角為Ａ，則按照一個步伐周期Ｔ內采樣，根據遞推原則，任意時刻ｔ步行者的方位如下：

　　３．２、航向角計算

　　由三軸加速度計測出的前左上三個方向上的加速度數Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ可以計算出三維傳感器模塊的俯仰角（以θ１表示）和傾斜角（以θ２表示）為：

　　式中的Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ為經過最小二乘法［６］校正后的三軸加速度值，由于傳感器模塊置于步行者腰間，步行者在走動的時候不可避免地引入振動干擾，造成俯仰角與傾斜角解算誤差，因此采用互補濾波，融合陀螺儀數據，降低因振動干擾帶來的解算誤差。設陀螺儀經過互補濾波算法處理后，三軸的數據分別為Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ，融合后三個方向上的加速度為Ａ′ｘ、Ａ′ｙ、Ａ′ｚ，給三個方向上加速度賦予的權重為ＰｘＡ、ＰｙＡ、ＰｚＡ，給陀螺儀三軸數據的權重為ＰｘＧ、ＰｙＧ、ＰｚＧ，則可以用下式表示：

　　4、測試結果及分析

　　實地測試結果如圖６所示，測試場地為學校內部的標準田徑場，田徑場包含的兩條直道一條為東西走向，另一條為西東走向，測試的時候選取標準田徑場的第５跑道，步行實際長度為４３０ｍ，實際步數為５６０步，經航位推算測得的步數為５８７步，測得的步行距離為４２８．５ｍ，步數統計相對誤差為４．８％，距離統計相對誤差小于１％。與實際路線相比，最大偏移為５ｍ，出現在東西走向的直線跑道上，偏移區間長度為８５ｍ，航向角測得的誤差在±２°～±４°以內，說明以上方法設計的步行者航位推算裝置有較高的精確性、實時性與可靠性，能夠滿足實際應用需求。

　　　　5、結 語

　　本文介紹了基于ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６單片機的步行者航位推算裝置的硬件設計與采用的軟件算法，完成了對多傳感器數據的采集和航跡推算。采用單片機與微慣性器件搭建的系統，能滿足小型化、實用性、便攜性及易于搭建的應用要求，經過實地實驗，其測算精度亦能滿足實際需求。