1.2Техническое задание на дипломный проект
Разработать модуль сенсора, по показаниям которого можно однозначно определить угловую ориентацию его чувствительных осей в трёхмерной системе координат. Модуль сенсора должен передавать свои показания по последовательному интерфейсу RS-232C.
Разработать алгоритмы опроса модуля сенсора и распознавания совершения определённых жестов руки показанных на Рис. 0 .1.
Рис. 0.1 Базовые движения. Push (сверху) и Flip (снизу)
Разработать методику взаимодействия программного обеспечения для КПК с инерционным сенсором посредством разделяемого ресурса базы данных инерционного сенсора.
Разработать программу, наглядно демонстрирующую возможности управления приложениями для КПК с помощью пространственных жестов руки.
2Разработка модуля инерционного сенсора
2.1Предложение и обоснование подхода к созданию сенсора
Для решения задачи определения угловой ориентации в трёхмерном пространстве, необходимы сенсоры, которые были бы чувствительны к изменению углового положения объекта. Стандартным подходом для решения таких задач является использование гироскопов, но из-за их дороговизны и больших размеров необходимо искать другие пути решения поставленной задачи. Одним из перспективных методов определения ориентации в пространстве является использование акселерометров – сенсоров, которые измеряют суперпозицию векторов гравитации и линейного ускорения на свою чувствительную ось. Для решения задачи ориентации в трёхмерном пространстве потребуется не менее трех акселерометров, и их следует расположить так, чтобы их чувствительные оси были взаимно ортогональны. Сенсоры, построенные на базе акселерометров, получили название “инерционных сенсоров”. Однако, только с помощью акселерометров исходную задачу ориентации решить невозможно, так как по проекциям вектора гравитации на чувствительные оси акселерометров нельзя определить угол поворота модуля инерционного сенсора в горизонтальной плоскости. Необходимо использовать дополнительные типы датчиков для измерения некой физической величины, в основе анализа которой можно было бы определить угловую ориентацию в пространстве. Причем координаты новой физической величины должны образовывать вектор, который будет неколлинеарен вектору гравитации. В качестве такой величины будем использовать вектор естественного магнитного поля Земли, так как его проекцию можно измерить с помощью магниторезистивных сенсоров, а сам геомагнитный вектор неколлинеарен вектору гравитации в подавляющем большинстве поверхности Земли.
2.2Разработка структурной схемы модуля инерционного сенсора
Промышленность выпускает достаточно большое количество акселерометров в интегральном исполнении. Друг от друга они отличаются сравнительно большим набором характеристик, из этого набора нас интересуют следующие:
Диапазон измерений
Количество осей
Цифровые выходы
Смещение нуля
Ошибка
Полоса пропускания
Исследования рынка микросхем показали, что можно найти цифровые акселерометры довольно маленьких размеров, с двумя чувствительными осями, ортогональными друг другу.
С магнитными сенсорами ситуация немного другая. Из большого количества магнитных сенсоров можно выделить магниторезистивные сенсоры в интегральном исполнении. Они компактны, но у них аналоговые выходы. Можно подобрать магниторезистивный сенсор с тремя чувствительными, ортогональными друг другу осями. Следовательно, для реализации модуля инерционного сенсора с использованием магниторезистивных сенсоров потребуется АЦП, для перевода данных полученных с сенсора в цифровую форму, и ЦАП для перевода начального смещения в аналоговую форму, также следует использовать блоки усилителей, для согласования уровней сигналов аналоговых выходов магниторезистивного сенсора и аналоговых выходов ЦАП. Для получения достоверных данных с магниторезистивного сенсора необходимо проводить его размагничивание перед каждым снятием данных. Для этого следует разработать схему сброса.
Также следует учесть, что на показания акселерометров и магниторезистивных сенсоров будет влиять температура окружающего воздуха. Для корректировки показаний сенсоров в зависимости от температуры окружающего воздуха необходимо использовать температурный датчик. Исследования рынка микросхем показали, что достаточно легко подобрать компактный цифровой температурный датчик в интегральном исполнении.
Для реализации последовательного опроса акселерометров, магниторезистивных сенсоров и температурного датчика, а также для учёта начального смещения сенсоров и размагничивания магниторезистивного сенсора, будем использовать ПЛИС.
Для инициации опроса сенсоров и подготовки и фильтрации данных к передаче по последовательному интерфейсу будем использовать микроконтроллер.
Для согласования уровней сигналов микроконтроллера и интерфейса RS-232C будем использовать преобразователь уровня.
Следует также учесть, что ПЛИС и микроконтроллер нуждаются во внешнем тактировании. Для них нужно предусмотреть наличие генератора тактовых импульсов.
Конструктивно модуль инерционного сенсора следует выполнять на трёх платах. Первая плата будет содержать ПЛИС, АЦП, ЦАП, усилители для магниторезистивного сенсора, магниторезистивный сенсор, акселерометр и температурный датчик. Вторая плата будет содержать микроконтроллер, генератор тактовых импульсов и преобразователь уровней. Третья плата будет содержать акселерометр. Это обусловлено тем, что:
Один из акселерометров должен быть установлен таким образом, чтобы его оси были ортогональны осям другого акселерометра.
Аналоговая и цифровая части модуля инерционного следует разделить, для предотвращения взаимных наводок.
Разместив две, из трёх, плат одна над другой мы сделаем модуль инерционного сенсора компактнее.
В результате проведённого анализа составим структурную схему модуля инерционного сенсора изображенную на Рис. 2 .2.
Рис. 2.2 Структурная схема модуля инерционного сенсора