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基于惯性传感器的毛笔运动轨迹重构

姚锦涛  
【摘要】:书法是一种黑白构成的汉字书写艺术,和绘画并列中国美术之首,是中华民族传统文化的符号代表,是世界上唯一以文字为艺术载体的东方艺术瑰宝。结合电子技术,将书法创作进行数字化对深入了解书法、传承书法具有重要意义。书法创作过程的数字化包括笔、墨、纸、砚等多个环节的数字化,其中对于毛笔的数字化包括笔头和笔杆的数字化。为了研究毛笔笔杆的运动与毛笔笔划的关系,实现将毛笔数字化的目标,本文基于惯性传感器采集的笔杆惯性数据,重构笔杆运动轨迹。本文主设计制作了电子毛笔硬件和对应的惯性数据采集软件。电子毛笔是将惯性导航模块固定在笔杆上,记录笔杆运动对应的惯性数据,通过蓝牙模块发送,利用上位机中的数据采集软件记录数据,在上位机中利用记录的惯性数据和捷联惯性导航原理重构笔杆运动轨迹。其中惯性数据包括三轴的加速度、角速度、磁力计数据。首先对惯性数据进行了预处理,包括剔除异常数据、椭球拟合、时间序列建模等方法,减小了测量数据的误差。然后设计使用一个惯性传感器的轨迹重构方案,融合了加速度、角速度、磁力计九轴数据进行姿态解算,将零速检测和卡尔曼滤波结合消除累计误差,利用模拟数据和采集的数据进行轨迹重构实验。接着为了提高轨迹计算的精度,设计利用两个惯性传感器的轨迹重构方案,根据所设计的电子毛笔中两个惯性传感器安装结构,利用距离约束关系计算位置误差来减小累计误差。同时利用约束关系改进异常数据剔除,减小数据测量误差。实验结果表明,所设计的基于两个传感器轨迹重构方案,轨迹重构精度高于单个传感器轨迹重构方案。对于噪声较小的模拟数据,两种方案都可以有效消除累计误差,得到准确的轨迹,验证了方法的正确性。对于噪声较大的模拟数据和采集的惯性数据,利用两个传感器的方案精度高于一个传感器的方案,轨迹结果依旧存在10%左右的误差,说明了设计的方法对测量数据的噪声比较敏感。分析认为所采用的民用级别的惯性传感器数据噪声较大,利用本文方法实现笔杆运动轨迹重构稳定性较差。


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