CN105547324A - 一种空间轨迹记录装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间轨迹记录装置及其方法，该装置固定在运动机构上，以记录运动机构运动的空间轨迹，其包括姿态信息采集模块，计程装置和处理模块；其中，姿态信息采集模块采集运动机构运动过程中的姿态信息，计程装置记录运动机构运动过程中的行程信息，处理模块按照设定频率，同步获取行程信息与姿态信息，并根据行程信息与姿态信息，实时地计算出位置信息，而且当运动机构每经过一个设定的单位行程时，处理模块存储当前时刻的位置信息；运动机构的运动停止后，根据运动机构开始运动前记录的静止时的位置信息和处理模块存储的位置信息，而获得运动机构运动的空间轨迹。本发明不受外界环境的干扰，而影响轨迹信息的精度。

Description

一种空间轨迹记录装置及其方法
技术领域
本发明涉及运动轨迹记录技术领域，特别涉及一种空间轨迹记录装置及其方法。
背景技术
目前，通过GPS等定位方式记录轨迹信息时，轨迹信息的精度易受信号强度影响，而且在郊外、地下等环境几乎无法实现位置信息的准确定位。在信号不稳定的情况下，造成定位准确度的主要因素有：(1)信号穿过不确定介质造成的衰减无法确定。(2)信号通过介质的深度越深误差越大。(3)电磁信号的干扰。
发明内容
本发明的目的在于克服在轨迹信息记录过程中，轨迹信息的精度易受信号强度的影响。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种空间轨迹记录装置，用于固定在运动机构上，记录运动机构运动的空间轨迹，其包括姿态信息采集模块，计程装置和处理模块，所述姿态信息采集模块和所述计程装置分别与所述处理模块连接；其中，
所述姿态信息采集模块，用于采集所述运动机构运动过程中的姿态信息；
所述计程装置，用于记录所述运动机构运动过程中的行程信息；
所述处理模块按照设定频率，同步获取所述行程信息与所述姿态信息，并根据所述行程信息与所述姿态信息，实时地计算出位置信息，而且当运动机构每经过一个设定的单位行程时，所述处理模块存储当前时刻的所述位置信息；
运动机构的运动停止后，根据运动机构开始运动前所记录的静止时的位置信息和所述处理模块存储的所述位置信息，而获得运动机构运动的空间轨迹。
根据一种具体的实施方式，所述处理模块包括数字滤波器、处理器和存储器；其中，
所述数字滤波器，用于对所述姿态信息进行滤波处理；
所述处理器，用于对所述姿态信息进行融合计算，以获得横滚角、俯仰角和航向角，并根据所述横滚角、所述俯仰角和所述航向角，对所述行程信息进行空间坐标计算，得到所述空间位移矢量信息，以及在每得到一个所述空间位移矢量信息后，根据所述空间位移矢量信息和上次计算出的所述位置信息，计算得到本次的所述位置信息；
所述存储器，用于存储所述处理器的所述位置信息。
根据一种具体的实施方式，所述姿态信息采集模块包括三轴加速度计，三轴陀螺仪和三轴电子罗盘，并且所述姿态信息包括三轴加速度信息、三轴角速度信息和所述三轴磁场信息，其中，
所述三轴加速度计，用于采集所述三轴加速度信息；
所述三轴陀螺仪，用于采集所述三轴角速度信息；
所述三轴电子罗盘，用于采集所述三轴磁场信息。
根据一种具体的实施方式，所述计程装置包括编码器和传动装置，并且所述编码器通过所述传动装置与所述运动机构连接，以将所述运动机构的行程转换为所述行程信息。
根据一种具体的实施方式，所述处理器设置有数据接口，用于扩展SD卡或者U盘。
基于同一发明构思，本发明还提供一种应用于本发明的空间轨迹记录装置的空间轨迹记录方法，其包括，
S1：确定运动机构初始静止时的位置信息，并保存至存储介质中；
S2：按照设定频率，同步获取所述运动机构运动过程中的姿态信息与所述行程信息，并根据每次获取的所述姿态信息与所述行程信息，实时地计算出位置信息；
S3：当运动机构每经过一个设定的单位行程时，所述处理模块存储当前时刻的所述位置信息；
S4：判断运动机构是否静止，若未静止，则跳转至S2。
根据一种具体的实施方式，对所述姿态信息进行融合计算，以获得横滚角、俯仰角和航向角，并根据所述横滚角、所述俯仰角和所述航向角，对所述行程信息进行空间坐标计算，得到所述空间位移矢量信息，以及在每得到一个所述空间位移矢量信息后，根据所述空间位移矢量信息和上次计算出的所述位置信息，计算得到本次的所述位置信息。
根据一种具体的实施方式，对所述姿态信息进行滤波处理后，再进行融合计算。
根据一种具体的实施方式，计算得到所述位置信息后，将计算得到的所述位置信息覆盖上次计算出的所述位置信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的装置可直接固定在运动机构上，在使用时，首先确定初始静止时的位置信息，当运动机构运动时，本发明的装置按照设定频率，同步获取姿态信息和行程信息，并经过一系列的运算和处理，获得当前位置信息，并将每次得到的位置信息保存在存储介质中。本发明的装置由于没有采用GPS定位方式，所以不受外界环境的干扰，而影响轨迹信息的精度。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明装置的各部件的连接示意图；
图3是本发明方法的流程图；
图4是本发明方法计算空间位移矢量原理示意图；
图5是本发明方法获得当前位置信息原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
结合图1所示的本发明的结构示意图，其中，本发明的空间轨迹记录装置，用于固定在运动机构上，记录运动机构运动的空间轨迹，其包括姿态信息采集模块，计程装置和处理模块，姿态信息采集模块和计程装置分别与处理模块连接。
姿态信息采集模块在运动机构运动的过程中，记录运动机构的姿态信息。计程装置在运动机构运动的过程中，记录运动机构的行程信息。
处理模块按照设定频率，同步获取行程信息与姿态信息，并根据行程信息与姿态信息，实时地计算出位置信息，而且当运动机构每经过一个设定的单位行程时，处理模块存储当前时刻的位置信息。
运动机构的运动停止后，根据运动机构开始运动前所记录的静止时的位置信息和处理模块存储的位置信息，而获得运动机构运动的空间轨迹。
结合图2所示的本发明装置的各部件连接示意图；其中，本发明中的处理模块包括数字滤波器、处理器和存储器。
数字滤波器，用于对所述姿态信息进行滤波处理。
处理器，用于对姿态信息进行融合计算，以获得横滚角、俯仰角和航向角，并根据横滚角、俯仰角和航向角，对行程信息进行空间坐标计算，得到空间位移矢量信息，以及在每得到一个空间位移矢量信息后，根据空间位移矢量信息和上次计算出的位置信息，计算得到本次的位置信息。
存储器，用于存储处理器的位置信息。
本发明中的姿态信息采集模块包括三轴加速度计，三轴陀螺仪和三轴电子罗盘，并且姿态信息包括三轴加速度信息、三轴角速度信息和三轴磁场信息。
三轴加速度计用于采集三轴加速度信息。三轴陀螺仪，用于采集三轴角速度信息。三轴电子罗盘，用于采集三轴磁场信息。
本发明中的计程装置包括编码器和传动装置，并且编码器通过传动装置与运动机构，以将运动机构的行程转换为行程信息。
在实施时，处理器设置有数据接口，该数据接口用于扩展SD卡或者U盘，使数据存储更加灵活，且方便转移至其他设备上。
基于同一发明构思，本发明还提供一种空间轨迹记录方法。分别结合图3所示的本发明方法的流程图；其中，本发明的空间轨迹记录方法包括：
S1：确定运动机构初始静止时的位置信息，并保存至存储介质中。
S2：按照设定频率，同步获取运动机构运动过程中的姿态信息与行程信息，并根据每次获取的姿态信息与行程信息，实时地计算出位置信息。
S3：当运动机构每经过一个设定的单位行程时，处理模块存储当前时刻的位置信息。
S4：判断运动机构是否静止，若未静止，则跳转至S2。
结合图4所示的本发明方法计算空间位移矢量原理示意图；其中，在S2中，根据每次获取的姿态信息与行程信息，得到空间位移矢量信息的方法为，
对姿态信息进行融合计算，以获得横滚角、俯仰角和航向角，并根据横滚角、俯仰角和航向角，对行程信息进行空间坐标计算，得到空间位移矢量信息，以及在每得到一个空间位移矢量信息后，根据空间位移矢量信息和上次计算出的位置信息，计算得到本次的位置信息。
在实施时，对姿态信息进行滤波处理后，再进行融合计算。而且，计算得到位置信息后，将计算得到的位置信息覆盖上次计算出的位置信息，从而降低处理模块的缓存负载，提高计算速率。
在具体实施时，由于本发明是按照设定频率，来同步获取姿态信息和行程信息，所以前后两次同步获取姿态信息和行程信息之间有一定的时间间隔，而当这个时间间隔足够短时，可将每个时间间隔内的运动状态认为直线运动。
那么设时间间隔内的行程为St，俯仰角、横滚角和航向角分别为ψt、δt和φt；在t至t+1个时间间隔内，空间位移矢量表示为(it,jt,kt)，则有：
i t j t k t = S t * cosψ t * cosφ t cosψ t * sinφ t sinψ t
在已知t个时间间隔时的空间位置坐标为(xt,yt,zt)，在t至t+1个时间间隔内，空间位移矢量表示为(it,jt,kt)。
在实施时，将当前得到的空间位移矢量信息与上次计算出的位置信息相叠加，以计算得到当前位置信息。因此，在t+1个时间间隔时的空间位置坐标表示为：
(xt+1,yt+1,zt+1)＝(xt,yt,zt)+(it,jt,kt)。
结合图5所示的本发明方法获得当前位置信息原理示意图；其中，已知初始静止时的空间位置坐标(x0,y0,z0)的情况下，在t+1个时间间隔时的空间位置坐标表示为：
( x t + 1 , y t + 1 , z t + 1 ) = ( x 0 , y 0 , z 0 ) + Σ m = 0 t ( i m , j m , k m )
本发明的装置可直接固定在运动机构上，在使用时，首先确定初始静止时的位置信息，当运动机构运动时，本发明的装置按照设定频率，同步获取姿态信息和行程信息，并经过一系列的运算和处理，获得当前位置信息，并将每次得到的位置信息保存在存储介质中。本发明的装置由于没有采用GPS定位方式，所以不受外界环境的干扰，而影响轨迹信息的精度。
上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (9)

1.一种空间轨迹记录装置，用于固定在运动机构上，记录运动机构运动的空间轨迹，其特征在于，包括姿态信息采集模块，计程装置和处理模块，所述姿态信息采集模块和所述计程装置分别与所述处理模块连接；其中，
所述姿态信息采集模块，用于采集所述运动机构运动过程中的姿态信息；
所述计程装置，用于记录所述运动机构运动过程中的行程信息；
所述处理模块按照设定频率，同步获取所述行程信息与所述姿态信息，并根据所述行程信息与所述姿态信息，实时地计算出位置信息，而且当运动机构每经过一个设定的单位行程时，所述处理模块存储当前时刻的所述位置信息；
运动机构的运动停止后，根据运动机构开始运动前记录的静止时的位置信息和所述处理模块存储的所述位置信息，而获得运动机构运动的空间轨迹。
2.如权利要求1所述的一种空间轨迹记录装置，其特征在于，所述处理模块包括数字滤波器、处理器和存储器；其中，
所述数字滤波器，用于对所述姿态信息进行滤波处理；
所述处理器，用于对所述姿态信息进行融合计算，以获得横滚角、俯仰角和航向角，并根据所述横滚角、所述俯仰角和所述航向角，对所述行程信息进行空间坐标计算，得到所述空间位移矢量信息，以及在每得到一个所述空间位移矢量信息后，根据所述空间位移矢量信息和上次计算出的所述位置信息，计算得到本次的所述位置信息；
所述存储器，用于存储所述处理器的所述位置信息。
3.如权利要求1所述的一种空间轨迹记录装置，其特征在于，所述姿态信息采集模块包括三轴加速度计，三轴陀螺仪和三轴电子罗盘，并且所述姿态信息包括三轴加速度信息、三轴角速度信息和所述三轴磁场信息，其中，
所述三轴加速度计，用于采集所述三轴加速度信息；
所述三轴陀螺仪，用于采集所述三轴角速度信息；
所述三轴电子罗盘，用于采集所述三轴磁场信息。
4.如权利要求1所述的一种空间轨迹记录装置，其特征在于，所述计程装置包括编码器和传动装置，并且所述编码器通过所述传动装置与所述运动机构连接，以将所述运动机构的行程转换为所述行程信息。
5.如权利要求1所述的一种空间轨迹记录装置，其特征在于，所述处理器设置有数据接口，用于扩展SD卡或者U盘。
6.一种应用于如权利要求1所述的空间轨迹记录装置的空间轨迹记录方法，其特征在于，包括，
S1：确定运动机构初始静止时的位置信息，并保存至存储介质中；
S2：按照设定频率，同步获取所述运动机构运动过程中的姿态信息与所述行程信息，并根据每次获取的所述姿态信息与所述行程信息，实时地计算出位置信息；
S3：当运动机构每经过一个设定的单位行程时，所述处理模块存储当前时刻的所述位置信息；
S4：判断运动机构是否静止，若未静止，则跳转至S2。
7.如权利要求6所述的空间轨迹记录方法，其特征在于，对所述姿态信息进行融合计算，以获得横滚角、俯仰角和航向角，并根据所述横滚角、所述俯仰角和所述航向角，对所述行程信息进行空间坐标计算，得到所述空间位移矢量信息，以及在每得到一个所述空间位移矢量信息后，根据所述空间位移矢量信息和上次计算出的所述位置信息，计算得到本次的所述位置信息。
8.如权利要求7所述的空间轨迹记录方法，其特征在于，对所述姿态信息进行滤波处理后，再进行融合计算。
9.如权利要求7所述的空间轨迹记录方法，其特征在于，计算得到所述位置信息后，将计算得到的所述位置信息覆盖上次计算出的所述位置信息。
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