项目描述

本项目的核心目标是开发一款基于STM32 NUCLEO-G0B1RE开发板和X-NUCLEO-IKS4A1传感器扩展板的VR体感追踪器。

此设备主要利用了板载的LSM6DSV16X 6轴传感器和LPS22DF气压传感器，用于实时计算和监测空间姿态以及相对海拔高度的变化，并通过串口将这些数据传输至上位机。

上位机软件基于Python开发，实时显示一个立方体的三维空间变化，从而直观地展示传感器捕获的动态信息。

设计思路：

STM32 NUCLEO-G0B1RE作为主控板，具有足够的处理能力和丰富的接口，同时选择X-NUCLEO-IKS4A1扩展板作为传感器模块，因为它集成了多种MEMS传感器，能够提供所需的运动及环境数据。

软件开发分为两大部分：嵌入式系统开发和上位机接口设计。

嵌入式系统负责实时数据采集和初步处理，上位机则负责数据的进一步处理和可视化展示。

嵌入式开发采用了PlatformIO平台，这是一个开源的集成开发环境，支持多种开发板和框架，极大地简化了STM32的编程和调试过程。

硬件介绍：

• STM32 NUCLEO-G0B1RE开发板：
• • 基于32位ARM Cortex-M0+ MCU，支持
• X-NUCLEO-IKS4A1传感器扩展板：
• • 板载传感器：
  • LSM6DSO16IS：MEMS 3D加速度计 + 3D陀螺仪 与ISPU
  • LIS2MDL：MEMS 3D磁力计
  • LIS2DUXS12：超低功耗MEMS 3轴加速度计
  • 低功率和高精度MEMS绝对数字输出气压计
  • SHT40AD1B：高精度超低功耗的温湿度传感器
  • STTS22H：低电压，超低功耗，0.5°C精度的温度传感器
  • LSM6DSV16X：MEMS 3D加速度计+ 3D陀螺仪
  • 适用于高精度运动追踪和海拔高度测量。

工作流程：

• 数据采集：从IMU（惯性测量单元）传感器中采集加速度计和陀螺仪数据。如果设备包含磁力计数据，也可以采集。
• 传感器数据预处理：对原始传感器数据进行滤波和预处理，以去除噪声和漂移。
• 姿态估计：使用传感器融合算法（如卡尔曼滤波器或互补滤波器）来估计设备的姿态。
• 输出结果：生成表示姿态的四元数或欧拉角，供应用程序使用。

6轴传感器原理

LSM6DSV16X传感器包含一个3轴加速度计和一个3轴陀螺仪。

加速度计测量设备在X、Y和Z轴上的线性加速度（单位g），陀螺仪测量设备在X、Y和Z轴上的角速度（单位dps）。

传感器通过I2C总线与MCU通信，并将测量数据存储在FIFO（先进先出）缓冲区中，以便后续读取和处理。

四元数介绍

一种用来表示三维旋转的数学工具。

它由一个实部和三个虚部组成，通常表示为 q=w+xi+yj+zkq = w + xi + yj + zkq=w+xi+yj+zk，其中 www、xxx、yyy 和 zzz 是实数。

与欧拉角（Yaw, Pitch, Roll）相比，四元数在计算旋转时具有更高的精度和稳定性，特别是对于连续旋转的情况。

四元数的优点：

• 避免万向锁问题：欧拉角在某些旋转情况下会遇到万向锁问题，而四元数不会。
• 更高的计算效率：四元数在进行旋转插值和组合时效率更高。
• 更稳定的姿态表示：四元数提供更平滑和连续的旋转表示。

气压计原理

LPS22DF传感器用于测量环境气压（单位hPa）。根据国际民航组织（ICAO）标准大气模型，可以通过气压计算相对高度。公式如下：

其中，Initial Pressure是初始气压值，Pressure是当前测量的气压值。通过这个公式，可以计算出设备相对于初始位置的高度变化。

环境搭建

1. 安装PlatformIO：
2. • 访问PlatformIO官网下载并安装PlatformIO IDE，该IDE可以集成到VS Code等流行的代码编辑器中。
   • 安装后，在PlatformIO的主界面中创建一个新项目，选择对应的开发板型号（NUCLEO-G0B1RE），并设置合适的配置参数。
2. 库文件依赖：
3. • 在项目的platformio.ini配置文件中添加必要的库依赖项，确保项目能够顺利编译和上传到开发板

[env:nucleo_g0b1re]
platform = ststm32
framework = arduino
board = nucleo_g0b1re
monitor_speed = 115200
lib_deps = 
    https://github.com/stm32duino/X-NUCLEO-IKS4A1.git
    https://github.com/stm32duino/LsM6DsV16x.git
    https://github.com/stm32duino/LPS22DF.git
    https://github.com/stm32duino/LIS2MDL.git
    https://github.com/stm32duino/MotionFX.git

参考链接

https://stm32-base.org/guides/platformio.html

https://docs.platformio.org/en/latest/platforms/ststm32.html

软件流程图及代码片段

嵌入式部分流程图:

上位机流程图:

• 传感器数据采集与发送：

  
    // Check the number of samples inside FIFO
    if (accGyr.FIFO_Get_Num_Samples(&fifo_samples) != LSM6DSV16X_OK) {
      SerialPort.println("LSM6DSV16X Sensor failed to get number of samples inside FIFO");
      while (1);
    }
  
    // Read the FIFO if there is one stored sample
    if (fifo_samples > 0) {
      for (int i = 0; i < fifo_samples; i++) {
        accGyr.FIFO_Get_Tag(&tag);
        if (tag == 0x13) {
          accGyr.FIFO_Get_Rotation_Vector(&quaternions[0]);
  
          // Compute the elapsed time within loop cycle and wait
          elapsedTime = millis() - startTime;
  
          if ((long)(ALGO_PERIOD - elapsedTime) > 0) {
            delay(ALGO_PERIOD - elapsedTime);
          }
        }
      }
    }
    
    // Print Quaternion data
  SerialPort.print("Quaternion: ");
  SerialPort.print(quaternions[3], 4);
  SerialPort.print(", ");
  SerialPort.print(quaternions[0], 4);
  SerialPort.print(", ");
  SerialPort.print(quaternions[1], 4);
  SerialPort.print(", ");
  SerialPort.println(quaternions[2], 4);
  
  
      // Read pressure and temperature.
  float pressure = 0, temperature2 = 0;
  PressTemp.GetPressure(&pressure);
  PressTemp.GetTemperature(&temperature2);
  
  // Calculate relative altitude
    if (!initialPressureSet) {
      initialPressure = pressure;
      initialPressureSet = true;
    }
    float altitude = 44330.0 * (1.0 - pow(pressure / initialPressure, 0.1903));
  
    SerialPort.print("Pres: ");
    SerialPort.print(pressure, 2);
    SerialPort.print(" Temp: ");
    SerialPort.print(temperature2, 2);
    SerialPort.print(" Altitude: ");
    SerialPort.println(altitude, 2);
  
    delay(100);
  
  
  
  

• 图形化显示（上位机Python）：

  def project_vertex(vertex, offset_y):
      """ Project 3D vertex to 2D space """
      x, y, z = vertex
      factor = 200 / (z + 200)
      x = x * factor + width // 2
      y = -y * factor + height // 2 + offset_y
      return x, y
  
  def draw_cube(offset_y):
      screen.fill((0, 0, 0))
  
      # Project and draw cube edges
      projected_vertices = [project_vertex(vertex, offset_y) for vertex in cube_vertices]
      for i, edge in enumerate(edges):
          start, end = edge
          color = colors[i % len(colors)]
          pygame.draw.line(screen, color, projected_vertices[start], projected_vertices[end], 2)
      
      pygame.display.flip()
  
  

功能展示及说明

• 上位机接收到的数据用于实时更新3D立方体的姿态。

心得体会

通过本项目，我深入理解了STM32的传感器数据处理和串口通信机制，同时对Python进行数据可视化的能力有了更进一步的掌握。项目过程中，PlatformIO的强大功能给我的开发工作带来了极大的便利，使我能够更专注于算法的实现和优化。希望未来能有更多机会针对不同的应用场景开发类似的嵌入式系统，进一步提升我的技术能力。

对活动的建议

建议未来的活动能增加更多关于云计算和AI的集成应用，这将有助于开发更智能的物联网设备，实现更广泛的应用场景。同时，增设更多实战演练和案例分析，能够帮助参与者更好地理解理论与实践的结合点。