论文总字数：22965字

目 录

1 引言 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2运动轨迹国内外研究现状 1

1.3 MEMS传感器国内外研究现状 2

1.4论文的主要工作和章节安排 2

2系统总体方案 3

2.1方案论证与选择 3

2.1.1 MEMS传感器的论证与选择 3

2.1.2单片机的论证与选择 3

2.2系统总体设计 3

2.3运动轨迹估计方法 4

2.3.1轨迹积分原理 4

2.3.2系统误差来源 6

2.3.3 误差处理方案 6

2.3.4卡尔曼滤波方法 7

3 硬件电路设计 9

3.1 MSP430F169最小系统设计 9

3.2 MPU6050检测模块设计 10

3.3 LCD显示屏 11

3.4 USB转串口模块设计 11

3.4.1 IIC总线接口 11

3.4.2串口通信 11

3.4.3 PLHX2303模块 12

4 系统软件设计 14

4.1软件设计思想 14

4.2单片机软件设计 14

4.2.1单片机调试环境IAR EW430 14

4.2.2单片机主程序设计 14

4.2.3 MPU6050数据读取程序 15

4.2.4零偏校准 15

4.3上位机MATLAB程序设计 16

4.3.1上位机总体程序流程图 16

4.3.2卡尔曼滤波程序 17

5 实验与结果分析 18

5.1实验方案 18

5.2硬件系统调试 18

5.3 MATLAB数据处理与分析 20

5.4问题分析与解决 23

6 结论 24

参考文献 24

致 谢 26

1 引言

1.1课题研究的背景及意义

物体运动是一个无处不在的现象。随着科技的进步，人类正在运用各种技术来监测与追踪物体运动轨迹。在人机交互领域，激光跟踪系统、磁空间跟踪系统以及基于空间机器视觉的定位系统^[1]使用最广泛，具有较高的测量精度，也存在测量过程受外界参考系限定、系统开销大、设备运作复杂等缺陷。磁空间追踪系统经常受到场源限制^[2]，且场源容易受各种外界环境影响，如铁制品的屏障作用、其他磁场的干扰；激光追踪系统会受到激光源光照范围的制约，且激光光源常会被损坏，造成不必要的损失；基于空间机器视觉的定位系统^[3]通常由于摄像头的放置地点、能够拍摄的场景范围，具有一定的局限性，而且数据计算过程繁杂、系统开销大。所以，上述轨迹追踪系统用于运动目标自由跟踪、定位时，各有优缺点。

最近几年，伴随着MEMS技术的成熟，微体积、低成本、测量精度更高的微型传感器广泛应用在各种领域，小到日常装备，大到航天器材，MEMS在我们的生活中扮演了极其重要的角色。MEMS具有高集成度，系统包括微型传感器^[4]、信号处理电路、控制电路等。MEMS占有小体系、低功耗和高智能化等技术优势，是当前机械加工与电力电子技术的集大成者，是满足市场需求的强者。在消费电子厂商不断追求产品差异化的今天，越来越多的电子产品通过集成运动传感器来使得其产品具有检测和感知设备自身运动状态的功能，从而带来更佳的用户体验。2006年末，任天堂公司研发的一款游戏主机Wii^[5]就内嵌了三轴加速传感器，通过检测人体运动的轨迹来对游戏进行操控，引领游戏市场进入一个崭新的时代，为用户们带来全新的感受，进而对传统游戏带来一定的冲击与革命。当今，组合式的传感器已经是智能手机的标配，给人们生活带来更多的辅助支持，例如手机也集成了监测用户活动状况的传感器，为人类调整自身的生活状态提供参考。这种具有微型化、低能耗、高精确度等优点的运动检测技术，其应用前景非常广泛。

本文设计一种基于MPU6050传感器的运动目标轨迹追踪系统。系统通过MPU6050传感器检测运动目标当前的运动数据，传输给上位机并进行数据分析和处理，其测量范围与场合更加宽泛，可以实现三维空间的物体运动轨迹追踪。在工程测量、人机交互领域，如空中手写笔、可穿戴设备^[6]、健康状况监测等，本系统相对于外部观测设备，具备成本低，维护简单，测量范围广等长处，已经具有重要的实际意义。

1.2运动轨迹国内外研究现状

1996年，美国联邦通信委员会（FCC）正式提出了测量个人运动轨迹的技术^[7]，然而当时的测量追踪技术发展不够快速全面，设计思想尚未成熟，设计框架并不完善，尚且不能脱离全球定位系统。因此，基于个人的运动轨迹的测量当时并没有在市场中普及。但是，随着市场的需求应用逐渐扩大以及MEMS技术的不断发展与进步，惯性轨迹追踪（即惯性导航技术）也得到了重视，致力于实现高精度、低成本、数字化、小型化等集于一体的微系统，现实的需要将力推惯性轨迹追踪系统应用于更广阔的领域。因此，越来越多的科研机构与学者对测量系统进行深入的研究，从而不断的对之进行改进，久而久之形成了能独立完成工作的微系统。

与其它一些国家相比，美国对轨迹追踪系统的研究更深入，拥有更丰富的经验，并且将航位推算算法与轨迹追踪系统相结合，从而提高了测量系统的精度。美国已经生产出由硅加速度计与硅微陀螺集成的小型轨迹检测装备并投入使用^[8]。它的低功耗、低成本和微体积等优点冲击了传统的使用设备，满足普通人对定位服务的需求和以战术机与无人机为主导的战术需要。另外，欧洲国家和日本、韩国等亚洲国家在对行人步态检测与追踪方面有深入的研究，并得到了很大的成效。

我国研究微机电陀螺起始时间略迟，与美国相比理论研究与科研实践基础略显薄弱，自主研发技术尚且不够成熟。在我国综合实力不断增强的背景下，在大量研究单位和高等学校如电子13所、清华大学、北京大学等的一致努力下，MEMS传感器的应用技术已经取得了很大的进步,并运用在智能机器人模式识别^[9]、无人机追踪定位等各种范畴。我国的科研实力在不断壮大，各种技术研究也有待超越国外发达国家，最终致力于建造一个科技强国。

1.3 MEMS传感器国内外研究现状

美国的一些业界知名公司在上个世纪就开始研究压力传感器的集成技术，经过不断地钻研，最终完成对压力传感器的集成工作。MEMS传感器向更小尺寸集成化已经是必定的趋向，未来无论是日常设备还是战场装备都会出现它的身影。

我国在传感器接口ASIC芯片和MEMS传感器集成化方面的研究起始时间较迟，但在丁衡高院士的关注下^[10-11]，总装预研、国家863等的大力支持下，近年有了长足进步。目前，我国加大了对MEMS传感器的研制程度，个别技术已接近国际先进水准。但国内在MEMS惯性器件接口ASIC芯片研究方面只有哈尔滨工业大学大学等少数单位开展，而MEMS器件接口ASIC芯片研究是实现MEMS传感器集成化、微型化、批量化的使能技术，是提高MEMS传感器性能、推进实用化进程的关键要素。

伴随着人工智能、物联网技术的发展，高质量的MEMS集成传感器的产品需要更加迫切。因为各类先进技术都需要依靠传感器测量目标状态，从而收集数据进行分析与研究。在国防、汽车电子、民用消费的快速发展基础上，MEMS集成传感器已成为当今国际上MEMS领域发展最快、市场最大的产业之一。

1.4论文的主要工作和章节安排

本文设计的是恢复运动目标的轨迹，达到可实现异地追踪的目的。硬件是将MPU6050传感器与MSP430处理器相结合采集并传输数据；PC端软件是在MATLAB环境下编写的程序，完成对随机噪声的算法消除与积分运算。论文的研究内容包括MPU6050六轴传感器，以MSP430单片机为核心的信号采集及处理单元，串口通信模块和PC端的数据处理算法。

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