２．３、數據存儲及顯示模塊設計

負責航位推算的主單片機與三維傳感器模塊上的從單片機通過串口進行通信，它們被設置為相同的波特率。由于ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６的內置ＲＡＭ容量只有２０ＫＢ，而航位推算過程中使用的數據容量遠大于其內存容量，所以采用ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)，把主單片機接收的數據存入ＳＤ卡中，單片機通過ＳＰＩ接口存入或讀出數據，數據存儲模塊的原理圖如圖４所示。

　　圖４數據存儲模塊原理圖

　　顯示模塊采用了Ｉｌｉｔｅｋ公司生產的ＴＦＴＬＣＤＩＬＩ９３２０，分辨率為３２０×２４０，正常工作電壓為３．３Ｖ，采用１６位雙向數據線，單片機通過ＷＲ引腳向ＴＦＴＬＣＤ里寫入數據，通過ＲＤ引腳讀出數據，顯示模塊的原理圖如圖５所示。

　　圖５顯示模塊原理圖

　　３、軟件設計

　?。常?、航跡推算原理

　　步行者的運動通?？梢哉J為是二維運動［４］，步行者一個步伐周期內的兩個落腳點間的連線可以認為是直線，數據采樣時間為一個步伐周期時，已知步行者上一采樣周期末的方位信息與本次采樣周期內步伐長度與航向角信息，可以推算出本次采樣周期末步行者的方位信息。以二維ｘ－ｙ坐標平面表示，設步行者初始時刻的方位為（ｘ０，ｙ０），任意時刻ｔ的方位為（ｘｔ，ｙｔ），步行者每個采樣周期內的步長為Ｓ，航向角為Ａ，則按照一個步伐周期Ｔ內采樣，根據遞推原則，任意時刻ｔ步行者的方位如下：

　?。常?、航向角計算

　　由三軸加速度計測出的前左上三個方向上的加速度數Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ可以計算出三維傳感器模塊的俯仰角（以θ１表示）和傾斜角（以θ２表示）為：

　　式中的Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ為經過最小二乘法［６］校正后的三軸加速度值，由于傳感器模塊置于步行者腰間，步行者在走動的時候不可避免地引入振動干擾，造成俯仰角與傾斜角解算誤差，因此采用互補濾波，融合陀螺儀數據，降低因振動干擾帶來的解算誤差。設陀螺儀經過互補濾波算法處理后，三軸的數據分別為Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ，融合后三個方向上的加速度為Ａ′ｘ、Ａ′ｙ、Ａ′ｚ，給三個方向上加速度賦予的權重為ＰｘＡ、ＰｙＡ、ＰｚＡ，給陀螺儀三軸數據的權重為ＰｘＧ、ＰｙＧ、ＰｚＧ，則可以用下式表示：

　　4、測試結果及分析

　　實地測試結果如圖６所示，測試場地為學校內部的標準田徑場，田徑場包含的兩條直道一條為東西走向，另一條為西東走向，測試的時候選取標準田徑場的第５跑道，步行實際長度為４３０ｍ，實際步數為５６０步，經航位推算測得的步數為５８７步，測得的步行距離為４２８．５ｍ，步數統(tǒng)計相對誤差為４．８％，距離統(tǒng)計相對誤差小于１％。與實際路線相比，最大偏移為５ｍ，出現在東西走向的直線跑道上，偏移區(qū)間長度為８５ｍ，航向角測得的誤差在±２°～±４°以內，說明以上方法設計的步行者航位推算裝置有較高的精確性、實時性與可靠性，能夠滿足實際應用需求。

　　　　5、結 語

　　本文介紹了基于ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６單片機的步行者航位推算裝置的硬件設計與采用的軟件算法，完成了對多傳感器數據的采集和航跡推算。采用單片機與微慣性器件搭建的系統(tǒng)，能滿足小型化、實用性、便攜性及易于搭建的應用要求，經過實地實驗，其測算精度亦能滿足實際需求。