基于游戲引擎的圖形用戶界面集群渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬鵬輝，殷興輝，王瑩，李澤宇

基于游戲引擎的圖形用戶界面集群渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬鵬輝，殷興輝，王瑩，李澤宇

針對低功耗的導(dǎo)航應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種小型化、低功耗、結(jié)構(gòu)簡單的具有傾斜補(bǔ)償功能的三軸磁阻式電子羅盤。硬件方面是由HoneyWell公司的三維磁阻式傳感器HMC5883L，三維加速度傳感器使用低成本傾斜度模塊GY-25，以及德州儀器的MSP430F149處理器組成。通過采集各模塊的數(shù)據(jù)，得到系統(tǒng)的俯仰角、翻滾角、航向角等信息，并通過LCD1602顯示載體的航向角和姿態(tài)角。軟件方面，在分析磁性物質(zhì)影響的基礎(chǔ)上，提出了合理可行的矯正方法來消除影響羅盤測量精度的誤差，實(shí)現(xiàn)了能準(zhǔn)確測量羅盤朝向、運(yùn)行穩(wěn)定的三維電子羅盤。

電子羅盤；傾斜補(bǔ)償；磁阻傳感器；MSP430

0 引言

近年來，電子羅盤被廣泛運(yùn)用于工業(yè)和社會生活中。磁阻式電子羅盤具有較好的抗震性，對干擾有電子補(bǔ)償，測向精度較高，是目前較為主流的羅盤設(shè)備。但現(xiàn)有電子羅盤電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，不便于攜帶和使用。針對這些問題，本文提出了以 HoneyWell 公司三軸磁阻傳感器 HMC5883和傾斜角傳感器模塊GY-25為敏感元件，使用超低功耗控制器 MSP430F149 處理傳感器數(shù)據(jù)并計(jì)算方向的小型低功耗電子羅盤。

1 電子羅盤測向計(jì)算方法

磁羅盤通過測量地磁場水平方向分量確定磁北極方向并推算出其他方向。當(dāng)羅盤水平放置時,傳感器坐標(biāo)系的X、 Y軸在水平面內(nèi)，X軸為前進(jìn)方向，Y軸垂直于X軸向右，Z軸沿重力方向向下，從磁北方向順時針到X軸的夾角即為方位角φ，坐標(biāo)系如圖1所示：

圖1 羅盤處于水平狀態(tài)的坐標(biāo)系

設(shè)地磁場的水平分量為H0，則磁羅盤測得的X軸和Y軸的磁場分量分別為式（1）：

式（1）中，φ為磁方位角即同磁北方向的夾角見式（2）：

而實(shí)際應(yīng)用中，電子羅盤并不是始終水平，需要根據(jù)加速度傳感器測得的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，通過坐標(biāo)變換，將磁傳感器測得的磁場強(qiáng)度分量折算到水平方向，再計(jì)算方位角，傾斜時羅盤狀態(tài)如圖2所示：

圖2 羅盤處于非水平狀態(tài)

俯仰角φ定義為X軸與水平面之間的夾角，滾轉(zhuǎn)角θ定義為Y軸和水平面的夾角。當(dāng)羅盤不水平時，測得重力加速度g在羅盤三軸方向的分量分別為Ax，Ay，Az，則根據(jù)坐標(biāo)關(guān)系可求得俯仰角和滾轉(zhuǎn)角為：

此時，磁傳感器測出的地磁場在羅盤三軸方向的分量為Hx，Hy，Hz，由坐標(biāo)關(guān)系得水平方向磁分量為式（4）：

利用三角函數(shù)關(guān)系可求得方位角為式（5）：

由于磁北極與地理北極并不完全一致。定義地球表面任一點(diǎn)的地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量所在的垂直平面（地磁子午面）與地理子午面的夾角為磁偏角β，查表得到本地的磁偏角,即可得到載體相對與真北的航向角A為式（6）：

2 電子羅盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成

1.硬件設(shè)計(jì)

電子羅盤硬件設(shè)計(jì)由磁阻傳感器、傾斜角模塊、控制器、Gps、液晶顯示、串口輸出6部分組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示：

圖3 羅盤系統(tǒng)框圖

（1）傳感器模塊

磁阻傳感器HMC5883為數(shù)字接口三軸磁阻傳感器，內(nèi)置ASIC放大器，12位A/D轉(zhuǎn)換器，I2C總線輸出。采用4 ×4×1.3mm的LCC封裝，體積小、精度高、成本低廉、使用方便。其采用霍尼韋爾各向異性磁阻（AMR）技術(shù)，它內(nèi)部的各向異性傳感器在軸向有較高靈敏度，也具有較好的線性高精度。傳感器帶有的對于正交軸低敏感行的固相結(jié)構(gòu)能用于測量地球磁場的方向和大小，其測量范圍從毫高斯到8高斯G[4]，能滿足本設(shè)計(jì)的要求。

傾斜模塊 GY-25是一款低成本傾斜度模塊。工作電壓3-5v功耗小，體積小。其工作原理，是通過陀螺儀與加速度傳感器經(jīng)過數(shù)據(jù)融合算法最后得到直接的角度數(shù)據(jù)，模塊集成度高，能穩(wěn)定輸出角度數(shù)據(jù)，減少了處理器的負(fù)擔(dān)。此傾斜度模塊以串口TTL電平全雙工方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，精度高，穩(wěn)定性高。能夠在任意位置得到準(zhǔn)確的角度。更具測量數(shù)據(jù)顯示，GY-25測量的精度能達(dá)到0.15度。

（2）控制器模塊

控制器采用 MSP430F149，它是一款16位高性能、超低功耗MCU，工作電壓1.8～3.6V，在1MHz時鐘下，工作電流為 0.1～400μA。大多數(shù)指令可以單時鐘周期執(zhí)行，具有統(tǒng)一的中斷管理，片上外圍模塊豐富，片內(nèi)有精密硬件乘法器、14路的12位A/D轉(zhuǎn)換器、兩路USART通信端口等資源。在本設(shè)計(jì)中控制器串口1接收GPS信號以獲取經(jīng)緯度信息，根據(jù)經(jīng)緯度信息查表得到當(dāng)?shù)氐拇牌牵罱K計(jì)算得到的方向及角度顯示在液晶屏上，同時通過串口2輸出，可供其它測量系統(tǒng)使用。

（3）顯示輸出模塊

顯示輸出部分包括串口輸出和液晶顯示。其中串口輸出提供精確的偏角信息，便于羅盤集成到其他測試設(shè)備中。顯示部分先用LCD1602字符型液晶顯示模塊，它可以顯示兩行，相當(dāng)于32個LED數(shù)碼管，它采用+5V電壓供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比，適合于電池供電的便攜式通信設(shè)備和測試設(shè)備。

2、軟件設(shè)計(jì)

軟件功能主要包括初始化、數(shù)據(jù)采集、方向角計(jì)算、補(bǔ)償校正以及顯示輸出等，軟件處理流程如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)軟件處理流程

控制軟件用C語言編寫，便于閱讀和移植，方便調(diào)試。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)主程序和各功能模塊子程序兩部分。其中主程序負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)對子程序的及時響應(yīng)和調(diào)用，有效的管理系統(tǒng)軟、硬件；子程序完成各指定功能，并供主程序調(diào)用，包括初始化、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算及誤差補(bǔ)償校正、航向角顯示、串口收發(fā)輸出等。在具體算法設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)考慮系統(tǒng)的實(shí)時性、同步性，以及誤差補(bǔ)償?shù)葐栴}。

3 羅盤誤差及補(bǔ)償

造成羅盤誤差的主要因素有傳感器誤差、其他磁材料干擾等如圖5所示：

圖5 硬磁干擾和軟磁干擾的羅盤輸出

為了校準(zhǔn)傳感器放大電路，HMC5883內(nèi)部集成了自測試電路，可以驅(qū)動偏置電流帶產(chǎn)生一定大小的測試磁場，以校準(zhǔn)傳感器各軸靈敏度。自測試還可以校準(zhǔn)溫度變化而產(chǎn)生的漂移。由于磁阻傳感器材料的特性，當(dāng)磁阻傳感器處于較強(qiáng)干擾磁場中時，傳感器元件靈敏度下降甚至失效。HMC5883芯片內(nèi)部集成了生成復(fù)位/置位脈沖所需的驅(qū)動電路，且由片上ASIC電路自動控制，在每次測量前自動進(jìn)行復(fù)位/置位操作，不僅保證了傳感器精度，也使傳感器應(yīng)用電路大為簡化。

除了傳感器本身的誤差，磁阻傳感器應(yīng)用環(huán)境中的磁介質(zhì)引起的磁場變化也會使電子羅盤精度降低。磁場干擾分硬磁干擾和軟鐵干擾兩類。硬磁干擾是傳感器附近的永磁體或被磁化的金屬造成的，它對磁阻傳感器輸出的影響是固定的，使輸出曲線圖圓心偏移，如圖5（b）所示。而軟磁干擾則是地球磁場和傳感器附近磁性材料的相互作用造成的，其干擾具有方向性如圖5（c）所示。為了校正X、Y軸方向的硬磁干擾,需要在校準(zhǔn)模式中繞Z 軸緩緩旋轉(zhuǎn)羅盤一周，在旋轉(zhuǎn)過程中，羅盤不斷采集X、Y軸的磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)，最終找出數(shù)據(jù)的最大值和最小值。對于Z軸的校準(zhǔn)，需要繞X軸或Y軸旋轉(zhuǎn)一周，找出Z軸數(shù)據(jù)的最值。校準(zhǔn)偏移量為式（7）：

通過測試將偏移量記錄下來，在以后的每次測量中，將每軸的磁場強(qiáng)度減去對應(yīng)的偏移量，即可校準(zhǔn)硬磁干擾，硬磁畸變校準(zhǔn)圖如圖6所示：

圖6 X、Y軸硬磁畸變的校準(zhǔn)

消除軟磁干擾的補(bǔ)償算法較為復(fù)雜，在低成本的控制器上不易實(shí)現(xiàn)且效果有限，因此在本設(shè)計(jì)中選用了優(yōu)化磁阻傳感器安裝位置的方法，以低其他磁性材料對地磁場的干擾，保證羅盤精度。

在本實(shí)驗(yàn)中測得X，Y的數(shù)據(jù)，用Matlab擬合曲線，得到X、Y軸的響應(yīng)數(shù)據(jù)并作圖，結(jié)果如圖7所示：

圖7 X、Y軸磁場強(qiáng)度

4 總結(jié)

本文根據(jù)電子羅盤測向的基本原理，設(shè)計(jì)了一款具有傾斜補(bǔ)償功能的低成本電子羅盤，其中的GY-25傾斜角模塊具有很高的精度和穩(wěn)定性，通過可以實(shí)時得到羅盤的姿態(tài)，完成傾斜補(bǔ)償。處理器MSP430是超低功耗處理器，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過算法補(bǔ)償，羅盤精度可以達(dá)到±1°，并且硬件成本低，功耗小，體積小，完全可以適用于普通導(dǎo)航領(lǐng)域。

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圖5 最優(yōu)作品

該片段風(fēng)格與學(xué)習(xí)樣本類似，節(jié)奏平緩，且具有明顯的旋律感，悅耳動聽，符合用戶需求。另外在20次運(yùn)行中由用戶人工評價的種群適應(yīng)度平均值如表1所示：

表1 20次仿真人工評價適應(yīng)度函數(shù)值

由于式（19）中和為20，為4，所以一次仿真中會有4次人工評價結(jié)果。表1中每一列表示一次仿真中的4次人工評價適應(yīng)度值，可以看出除第4次仿真外，該算法均可得到令用戶滿意的結(jié)果。圖5所示作品為第5次仿真得到的最優(yōu)結(jié)果。

與文獻(xiàn)[1,2]中的Markov作曲算法相比，本算法不僅考慮到音符或者節(jié)奏的孤立可能性，并且結(jié)合旋律元建立音符與節(jié)奏和旋律元與節(jié)奏之間的映射，生成的作品走勢更加連貫和諧，且具有較好的節(jié)奏感。與主流的其他基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法相比，本算法具有學(xué)習(xí)速度快，要求樣本小，可以人機(jī)交互等優(yōu)點(diǎn)。

4 總結(jié)

仿真結(jié)果證明了本文提出的基于 HMM-IGA的新型計(jì)算機(jī)作曲算法前期通過學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本可以生成與訓(xùn)練樣本風(fēng)格類似的作品片段，后期根據(jù)用戶需求引導(dǎo)算法進(jìn)化方向，最終可生成用戶滿意的作品。且算法復(fù)雜度低，要求訓(xùn)練樣本小。

參考文獻(xiàn)

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（收稿日期：2016.10.19）

Design and Implement of a Three-axis Magnetic Resistance Type Electronic Compass

Ma Penghui, Ying Xinghui, Wang Ying, Li Zeyu
(College of Computer and Information, Hohai University, Nanjing 211100, China)

For navigation of low power consumption, it designs a three-axis magnetic resistance type electronic compass which is miniaturization, low power consumption, simple structure and has the function of slope compensation. Hardware is made up of HoneyWell HMC5883L, three-dimensional magnetic resistance sensor, three-dimensional acceleration sensor which uses low cost tilt module GY-25, and of Texas instruments MSP430F149 processor. By data acquisition module, the information such as the pitch angle, roll angle, heading angle can be obtaintd, and through LCD1602 display, carrier course angle and attitude angle can be displayed. Software, based on the analysis on the influence of magnetic particles, feasible correction method is proposed to eliminate the influence the compass error in measuring accuracy, and three-dimensional electronic compass can realize the accurate measurement of compass heading and steady operation .

Electronic Compass； Tilt Compensation； Magnetic Resistance Sensor； MSP430

TP393

A

1007-757X(2016)011-0005-04

2016.05.03）

國家自然科學(xué)基金—面上項(xiàng)目（U1531101）

馬鵬輝（1993-），男，河海大學(xué)，計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，碩士研究生，研究方向：自動控制，南京 211100殷興輝（1962-），男，河海大學(xué)，計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，教授，研究方向：電子與通信工程、射頻與遙感系統(tǒng)、微弱信號檢測技術(shù)，南京211100

王 瑩（1991-），男，河海大學(xué)，計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，碩士研究生，研究方向：自動控制，南京 211100

李澤宇（1991-），男，河海大學(xué)，計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，碩士研究生，研究方向：射頻與遙感系統(tǒng)，南京 211100