文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
基于MEMS加速度传感器的空间运动轨迹追踪系统设计与实现
姓名:胡三庆
申请学位级别:硕士
专业:通信与信息系统
指导教师:刘勃
20090501
华中科技大学硕士学位论文
摘要
随着计算机科学的不断发展,人机交互技术越来越受到人们的重视,空间定位
与运动轨迹追踪系统将作为动作检测与输入设备被广泛应用于虚拟现实人机交互领
域。目前,用于虚拟现实人机交互过程的空间定位与轨迹追踪系统主要有磁追踪系
统、激光追踪系统和基于三维计算机视觉的定位系统。这些追踪系统具有精度高等
优点。然而,它们的测量过程却都受外界参考系限制,导致测量量程受基准参考系
制约,不适合于三维空间自由追踪与动作模式识别。
为了克服该缺陷,本论文依据加速度积分计算原理和坐标变换方法,利用高精
度三轴MEMS加速度传感器SCA3000-D01和陀螺仪ADIS16355设计了一套新的三维
空间自由定位与轨迹追踪系统。与此同时,本论文对系统中的加速度数据采集与发
送电路、数据接收电路分别做了详细设计;分别详述了天线电路、电源稳压电路以
及电路PCB板设计要点。该系统具有电路简单、体积小、功耗低、易维护等优点,
在精度要求相对较低的人机互动领域具有重要的应用价值。
此外,为了提高该系统的测量精度与工作效率,本论文对系统选用的加速度传
感器SCA3000-D01进行了详细的误差分析,并分别针对各类误差设计了相应的滤波
与处理算法。针对系统随机噪声,本论文设计了一种基于双状态预测的卡尔曼滤波
器;针对由外界环境温度等因素引起的加速度传感器非线性误差,本论文依据其非
线性特性曲线设计了相应的加速度修正算法;针对由加速度数据传输丢包、重传引
起的计算误差,本论文中采用了停止等待协议,实现了系统移动端与基站端之间的
可靠通信。最后,论文中还设计了速度位移重建算法对加速度积分结果进行重建,
使其结果满足实际空间运动理论模型。
论文最后叙述了该系统的实验室制作与实验过程,并展示了部分实验结果。实
验结果分析表明该系统空间轨迹位移测量误差低于10%,可满足人机交互过程中动作
识别需要。此外,依据实验结果及其分析结果,论文对该系统提出了改进意见并对
将来研究工作进行了展望。

关键词:空间运动、轨迹追踪、加速度传感器、陀螺仪、速度、位移
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
With the development puter science, puter interaction
technologies have been placed more and more attentation. In virtual-reality, spatial
location determination and movement tracking system will be used as action recognizing
and input device in the field of puter interaction. At present, the primary input
device in this field are ic tracking system, laser tracking system and tracking
system using puter vision, all of which have high precision. However, their
measuring processes are reconstructed by the outside reference coordinates that limit the
measuring range as a result. Therefore, they do not support non-restricted measuring and
are not suitable for action pattern identification.
To break these limitations, a new spatial movement tracking system based on
integration and coordinate transforming by using the 3-axis MEMS accelerometer
SCA3000-D01 and gyroscope ADIS16355 is proposed in this thesis, as well as
dis