基于stm32l0的手臂运动姿态采集器设计(附件)【字数：9775】
摘 要随着时代的发展，人类的生活水平不断提高，运动捕捉技术为人类的发展作出了很大的贡献，不同原理的运动捕捉装置为人类提供各种各样的应用，例如制作电影虚拟人物，制作VR游戏，手机面部识别解锁等等，这些都方便了人们的生活和丰富了人们的文娱活动，在未来，这项技术还有提高的空间。本次毕业设计研究的是基于STM32L0的手臂运动姿态采集器，通过传感器采集手臂运动的姿态数据，实现对手臂运动姿态的检测。本次设计采用的微处理器是STM32L0单片机，而传感器采用的是MPU9250芯片，通过采集传感器的姿态数据，得到相应的姿态角，将信息通过算法进行数据融合，利用无线技术将数据上传，在计算机中模拟出来。本文将从运动捕捉概述、硬件设计实现、软件设计实现和成品调试等方面来论述。
目 录
第一章 绪论 1
1.1运动捕捉技术的背景 1
1.2运动捕捉技术的分类 1
1.3运动捕捉技术的应用 1
1.4运动捕捉技术的前景 4
1.5运动捕捉技术的难点 4
第二章 系统硬件设计与实现 6
2.1系统整体框架 6
2.2微处理器模块 6
2.3传感器模块 7
2.3.1I2C和SPI接口 8
2.3.2I2C通信 9
2.4通信模块 9
2.4.1电源接口 11
2.4.2UART接口 11
2.4.3nRest和nReload控制 12
2.4.4天线 12
2.5电源模块 13
2.5.1AMS1117的介绍 14
第三章 系统软件设计与实现 16
3.1数据的采集 16
3.2数据的计算 17
3.3卡尔曼滤波器设计 18
3.4姿态解算方法 19
第四章 系统调试与分析 20
4.1系统的组装与运行 20
4.2系统调试与数据分析 20
4.3提高手臂运动姿态检测鲁棒性 20
致 谢 23
参考文献 24
附录 25
第 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
一章 绪论
1.1运动捕捉技术的背景
运动捕捉技术最早出现在上世纪七十年代，美国迪斯尼公司为了改进动画制作效果而采用捕捉演员动作的技术。计算机技术在发展初期，就运用到动画领域，来自纽约的一家实验室设计了一种光学装置，可以将演员的表演动作传输到计算机上，用于动画制作。上世纪八十年代开始，美国开展了用计算机捕捉人体运动的研究，并从试用走向了人们的生活中。
1.2运动捕捉技术的分类
常用的运动捕捉技术可分为电磁式、声学式、机械式、主被动光学式。
一、电磁式运动捕捉。电磁式运动捕捉系统一般由发射器、接收传感器和数据处理模块三个部分组成。发射器在人体空间中产生一些规律分布均匀的电磁场；在人体的关键部位如关节处总共安装大约十几个接收传感器，然后传输给数据处理模块。当人体在规律分布的电磁场内进行运动的时候，传感器就会接收相关的数据，接着进行数据解算，最终得出人体的运动姿态和空间位置。
二、声学式运动捕捉。声学式运动捕捉系统一般由发射器、接收器和数据处理模块组成。发射器是采用的是超声波发射器；接收器一般由三个超声探头构成，形状类似三角形。在人体的多个关键部位安装许多发射器，不间断发射超声波，而接收器通过计算超声波传送到接收器的时间，来确定发射器的空间方位，继而得出人体运动位置。
三、机械式运动捕捉。机械式运动捕捉系统由机械装置构成，包括可移动关节和刚性连杆。在关节里装有角度传感器，通过测出角度的变化，来获取运动信息。当人体运动时，通过角度传感器获取的数据和刚性连杆的变化，可得出人体某关节的运动轨迹。
四、主被动光学式运动捕捉。主被动光学式运动捕捉系统，主要由多个高速率拍摄相机组成。人体穿上特定的黑色服装，并在关键部位贴上若干个发光的圆形标志，通过摄像机对发光标志的监视和跟踪来获取人体运动姿态的信息。
1.3运动捕捉技术的应用
随着运动捕捉技术的日渐成熟，人体运动捕捉和检测技术大面积运用于影视制作、体感游戏、虚拟现实、体育训练、医疗保健、人机浸入式交流和机器人自动化控制等领域。2008年由詹姆斯?卡梅隆导演的《阿凡达》是世界上第一部全程运用动作捕捉技术完成的电影，这是动作捕捉技术在电影中的完美结合，意义非凡，让人惊叹。运用动作捕捉技术拍摄的电影还有许多，比如《猩球崛起》和《指环王》系列，如图1、图2所示。人们在每个关节处都装有标记点，通过标记点的变化，而得出位置和角度的变化，从而识别动作。目前常用的运动捕捉技术从原理上可分为电磁式、声学式、机械式、主被动光学式。不同原理下设备的优缺点不尽相同，评价方式有多种角度：实时性、定位精度、便携程度、可捕捉运动范围、抗干扰性以及与相应领域软件的连接程度。
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图1 《猩球崛起》拍摄技术
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图2 《指环王》拍摄技术
动作捕捉技术的应用主要如下：
一、动画制作。为了提高动画制作的水平，使人们欣赏到更为逼真的动画效果，因此将运动捕捉技术运用到动画制作中。获得的演员或动物的运动姿态信息，可以使动画造型的动作逼真化，更加提高动画制作的效率，而且降低了成本，直观展现动画制作过程，效果更为生动形象。这样的动画也被称为表演动画。
二、浸入式游戏。人们玩游戏更加注重切实存在的游戏体验，在浸入式游戏中，就可以给人一种全新的真实感和互动感。这种游戏就是采用了运动捕捉技术来捕捉玩家的各种动作，从而驱动游戏环境中角色的动作。
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图3 VR游戏体验
三、人际交流系统。人类是通过表情和动作来表达情绪，而运动捕捉技术可以将表情和动作数字化，增加了多种人机交流手段，比传统的手指键入更为方便快捷。手势识别和面部识别就是采用这种原理，越来越多运用到人们生活中，方便了人们。例如手机的面部识别解锁。
目 录
第一章 绪论 1
1.1运动捕捉技术的背景 1
1.2运动捕捉技术的分类 1
1.3运动捕捉技术的应用 1
1.4运动捕捉技术的前景 4
1.5运动捕捉技术的难点 4
第二章 系统硬件设计与实现 6
2.1系统整体框架 6
2.2微处理器模块 6
2.3传感器模块 7
2.3.1I2C和SPI接口 8
2.3.2I2C通信 9
2.4通信模块 9
2.4.1电源接口 11
2.4.2UART接口 11
2.4.3nRest和nReload控制 12
2.4.4天线 12
2.5电源模块 13
2.5.1AMS1117的介绍 14
第三章 系统软件设计与实现 16
3.1数据的采集 16
3.2数据的计算 17
3.3卡尔曼滤波器设计 18
3.4姿态解算方法 19
第四章 系统调试与分析 20
4.1系统的组装与运行 20
4.2系统调试与数据分析 20
4.3提高手臂运动姿态检测鲁棒性 20
致 谢 23
参考文献 24
附录 25
第 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
一章 绪论
1.1运动捕捉技术的背景
运动捕捉技术最早出现在上世纪七十年代，美国迪斯尼公司为了改进动画制作效果而采用捕捉演员动作的技术。计算机技术在发展初期，就运用到动画领域，来自纽约的一家实验室设计了一种光学装置，可以将演员的表演动作传输到计算机上，用于动画制作。上世纪八十年代开始，美国开展了用计算机捕捉人体运动的研究，并从试用走向了人们的生活中。
1.2运动捕捉技术的分类
常用的运动捕捉技术可分为电磁式、声学式、机械式、主被动光学式。
一、电磁式运动捕捉。电磁式运动捕捉系统一般由发射器、接收传感器和数据处理模块三个部分组成。发射器在人体空间中产生一些规律分布均匀的电磁场；在人体的关键部位如关节处总共安装大约十几个接收传感器，然后传输给数据处理模块。当人体在规律分布的电磁场内进行运动的时候，传感器就会接收相关的数据，接着进行数据解算，最终得出人体的运动姿态和空间位置。
二、声学式运动捕捉。声学式运动捕捉系统一般由发射器、接收器和数据处理模块组成。发射器是采用的是超声波发射器；接收器一般由三个超声探头构成，形状类似三角形。在人体的多个关键部位安装许多发射器，不间断发射超声波，而接收器通过计算超声波传送到接收器的时间，来确定发射器的空间方位，继而得出人体运动位置。
三、机械式运动捕捉。机械式运动捕捉系统由机械装置构成，包括可移动关节和刚性连杆。在关节里装有角度传感器，通过测出角度的变化，来获取运动信息。当人体运动时，通过角度传感器获取的数据和刚性连杆的变化，可得出人体某关节的运动轨迹。
四、主被动光学式运动捕捉。主被动光学式运动捕捉系统，主要由多个高速率拍摄相机组成。人体穿上特定的黑色服装，并在关键部位贴上若干个发光的圆形标志，通过摄像机对发光标志的监视和跟踪来获取人体运动姿态的信息。
1.3运动捕捉技术的应用
随着运动捕捉技术的日渐成熟，人体运动捕捉和检测技术大面积运用于影视制作、体感游戏、虚拟现实、体育训练、医疗保健、人机浸入式交流和机器人自动化控制等领域。2008年由詹姆斯?卡梅隆导演的《阿凡达》是世界上第一部全程运用动作捕捉技术完成的电影，这是动作捕捉技术在电影中的完美结合，意义非凡，让人惊叹。运用动作捕捉技术拍摄的电影还有许多，比如《猩球崛起》和《指环王》系列，如图1、图2所示。人们在每个关节处都装有标记点，通过标记点的变化，而得出位置和角度的变化，从而识别动作。目前常用的运动捕捉技术从原理上可分为电磁式、声学式、机械式、主被动光学式。不同原理下设备的优缺点不尽相同，评价方式有多种角度：实时性、定位精度、便携程度、可捕捉运动范围、抗干扰性以及与相应领域软件的连接程度。
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图1 《猩球崛起》拍摄技术
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图2 《指环王》拍摄技术
动作捕捉技术的应用主要如下：
一、动画制作。为了提高动画制作的水平，使人们欣赏到更为逼真的动画效果，因此将运动捕捉技术运用到动画制作中。获得的演员或动物的运动姿态信息，可以使动画造型的动作逼真化，更加提高动画制作的效率，而且降低了成本，直观展现动画制作过程，效果更为生动形象。这样的动画也被称为表演动画。
二、浸入式游戏。人们玩游戏更加注重切实存在的游戏体验，在浸入式游戏中，就可以给人一种全新的真实感和互动感。这种游戏就是采用了运动捕捉技术来捕捉玩家的各种动作，从而驱动游戏环境中角色的动作。
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图3 VR游戏体验
三、人际交流系统。人类是通过表情和动作来表达情绪，而运动捕捉技术可以将表情和动作数字化，增加了多种人机交流手段，比传统的手指键入更为方便快捷。手势识别和面部识别就是采用这种原理，越来越多运用到人们生活中，方便了人们。例如手机的面部识别解锁。
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