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三轴加速度计传感器轴转换研究

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  【摘 要】在三轴加速度计的数据应用上,三轴方向的确定非常重要,只有实时确定三轴方向才可以推算出物体的空间变换方式。轴转换计算方式一直是三轴加速度计数据处理的重要问题。本文提出通过磁传感器进行辅助计算,利用坐标转换计算的方式将三轴加速度计的数据进行轴转换,,将实时三轴数据转换为大地坐标系下的数据。该轴转换方式计算简单,转换准确,在基于三轴加速度的研究中有重要的应用价值。
  【关键词】三轴加速度计;轴转换;大地坐标系
  前言:
  基于三轴加速度计进行的研究有很多,最常见应用方式是通过三轴加速度计采集动作加速度数据进行动作分析。例如孙子文等人[1]通过三轴加速度计进行跌倒检测。Eduardo 和Marcin 等人[2,3]通过加速度计采集动作数据库。任磊[4]和黄衍标[5]进行动作数据识别。在三轴数据方向的确定上,利用惯性导航系统的研究有很多,如Bulling[6],Kunze[7],Jin [8]等人。然而这些研究在数据转换准确性与计算量上均存在不足。基于此,本文提出了一个基于磁传感器辅助的轴转换方案,该方案以大地坐标系作为框架,解算速度快,弥补了现有研究的不足。
  三轴加速度计工作原理
  三轴加速度传感器(Three Axis Accelerometer)可以检测物体的加速状态,通过测量三个坐标方向的加速度值判断物体移动方向,返回一个加速度值的时间序列数值,单位是 m/s2。具体计算公式如式(2.1)-(2.4)所示:
  轴转换计算方式
  本文提出的转转换计算方式通过将原三轴数据进行欧拉角变换,通过大地坐标系框架进行矢量方向表示。其转换原理为欧拉角能够用来描述任意旋转,对于任何参考系,一个刚体的取向,都可以依照旋转顺序来进行转换。借鉴这种思想和刚体坐标系与参考坐标系之间互相转换方法,可以计算出参考坐标系下的三轴加速度数据。磁传感器测量微特斯拉的磁场,它可与加速度计结合使用,以确定相对于北方的方向。通过对旋转矩阵的正交性进行数值校正,结合高通低通滤波器可以获得更准确的数据。计算方式如下:
  其中C=cos,S=sin,y为偏航角,p为俯仰角,r为横滚角。x,y,z为轴转换之前的三轴加速度数据,X,Y,Z为轴转换后的加速度数据。
  结论
  本文通过引入辅助磁传感器数据进行三轴加速度方向的轴转换计算,与传统方法相比,该方法降低了三轴加速度计定位误差中的数字误差和偏置误差。通过简单的矩阵转换计算即可实现大地坐标系框架下三轴矢量加速度值的转换,本文对于使用加速度计的研究而言有很强的实用价值。
  参考文献:
  [1]孙子文,孙晓雯. 基于加速度传感器的人体跌倒检测方法[J]. 计算机工程与科学,2017,39(2):330-335.
  [2]Sucerquia A,Lopez J D,Vargas-Bonilla J F. SisFall:A Fall and Movement Dataset[J]. Sensors(Basel),2017,17(1).
  [3]Casilari E,A.Santoyo-Ramón J,M.Cano-García J. UMAFall:A Multisensor Dataset for the Research on Automatic Fall Detection[J]. Procedia Computer Science,2017,110(2017):32–39.
  [4]任磊,周金海,吴祥飞. 移动设备佩戴位置自适应识别的跌倒检测方法[J]. 计算机工程与应用,2018,54(21):7-12.
  [5]黄衍标,陈华珍,黄键鹏. 基于腕部可穿戴设备的跌倒监护系统设计与实现[J]. 计算机测量与控制,2019,27(1):102-106.
  [6]Bulling A,Blanke U,Schiele B. A tutorial on human activity recognition using body-worn inertial sensors[J]. ACM Computing Surveys,2014,46(3):1-33.
  [7]Kunze K,Lukowicz P,Partridge K,et al. Which Way Am I Facing:Inferring Horizontal Device Orientation from an Accelerometer Signal[J],2009:149-150.
  [8]Yunye Jin,Hong-Song Toh,Wee-Seng Soh,et al. A robust dead-reckoning pedestrian tracking system with low[C]. IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications,2011.
  (作者單位:河北工业大学经济管理学院)

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