马运动轨迹复现方法及其应用研究

摘  要： 根据陀螺仪传感器的构成原理，实现了ADIS陀螺仪传感器对六自由度数据的采集。基于LabVIEW软件读取采集的数据并通过傅里叶频域积分实现了数据由加速度到位移、角速度到转角的转化，显示了马的运动轨迹，实现了LabVIEW软件对原始数据和转换后数据的动态仿真。提取转化后的六自由度位移和转角数据移植给六自由度机器马，证明机器马可以跟踪真马的运动轨迹，验证采集过程中数据转化的正确性。
关键词： 六自由度机器马；ADIS陀螺仪；SD卡；LabVIEW；傅里叶变换
   　随着社会的发展，健身运动已经深受现代人的重视，骑马锻炼也成为了人们喜爱的运动之一。但由于人们生活环境的局限性，限制了骑马运动的发展。本研究通过采集马的运动轨迹，让机器马实现真马的运动，使人们可以选择时间去骑马锻炼，丰富了人们的生活。
　采集运动数据的传感器有很多种，如单轴陀螺仪和三轴陀螺仪。单轴和三轴采集的信息量不能充分显示物体的完全特征。六自由度ADIS陀螺仪传感器是一款相对完整的三轴陀螺仪和三轴加速计惯性检测系统，采集参数包括X轴、Y轴和Z轴线性加速度和X轴、Y轴和Z轴角速率。采集的加速度和角速率数据需要通过积分转化成位移和角度，积分方法分为时域积分和频域积分两类。时域积分是对采集的数据直接进行积分，设计比较简单，但数据的初始值对积分效果影响明显；频域积分是将时域信号通过傅里叶变换转变为频域信号，再进行积分，形成傅里叶变换积分[1-2]，通常是运用快速傅里叶变换(FFT)[3]。该方法使用灵活，快速准确。观测数据的方法有录制视频观测、行为捕捉(motion capture)等。
1 系统方案
　本设计在六自由度机器马[4]的基础上进行研究，该平台可以较为真实地模拟马的多种运动方式。硬件如图1所示，通过AVR单片机把ADIS陀螺仪传感器采集的数据通过串口传递并存储在SD卡模块。由AVR单片机、ADIS陀螺仪和SD卡模块组装成一个模块，放置在马背上，真实地采集马的多种运动方式。陀螺仪传感器采集数据的六个自由度方向，X轴、Y轴和Z轴的线性加速度，X轴、Y轴和Z轴的角速率，如图2所示。通过LabVIEW软件进行数据分析，将其加速度数据进行转换成位移数据，角速度数据转化成转角数据，通过数据的分析在三维空间中模拟显示出马的真实运动轨迹，并通过得到的真实数据移植到六自由度机器马，机器马按照真马的运动轨迹运动，验证采集和转化过程的正确性。
   
   2 六自由度数据的采集和处理
2.1 数据的采集过程
　ADIS陀螺仪传感器一旦通电工作就会生成六自由度方向的运动数据，同时通过AVR单片机的串口把运动数据传递给SD卡模块，并存储在SD卡中，保证了六自由度的同一时间性。通过设置AVR单片机采集时间为10 ms，SD卡的内存为2 GB，可以连续采集426 h的六自由度数据。
2.2 数据的转化过程
　通过读卡器读取SD卡中采集的数据是以ASCII码的格式显示的，LabVIEW软件将数据以数值的形式把六自由度数据读取出来，其中最为关键的部分就是数据的转换，即把X轴、Y轴和Z轴的线性加速度数据转化成位移数据，X轴、Y轴和Z轴的角速度转化成转角。

　采集得到的加速度数据可以通过二次积分得到位移数据。初始数据和漂移的不确定性对直接二次积分的影响很大，如图3、图4所示。对于一些复杂、变化较为剧烈的数据，经过二次积分后存在较大偏差，很难达到准确性。由于马的运动方式多样化，运动的轨迹通常会不规则，运动曲线频率也会不断变化，导致直接二次积分的误差非常明显。为了克服这些不利因素的影响，本文采用了相对比较完善的傅里叶变换和积分方法来处理采集的数据。