专利名称：一种人体运动信息检测装置及其检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于传感器与电子通讯技术的人体运动信息检测装置及其检测方法，属于电子信息与模式识别领域。
背景技术：
智能运动鞋是一个信息技术与传统制鞋业的交叉产物。目前市面上所出现的智能运动鞋有耐克的nike+和阿迪达斯的micoach。其中nike+系列运动鞋采用了压电感应技术，通过其专利技术实现了跑步的计数和里程的估算，并实时的通过无线传输技术将人体的运动数据传输到苹果的智能终端上，如IPOD、IPHONE等；阿迪达斯的micoach智能运动鞋，采用了 VTI科技有限公司的技术，基于内置的加速度计，结合其修正技术，可以测量加 速度、速度以及跑动的里程。阿迪达斯的micoach除了实时传输外，还可以将数据记录在内置的闪存中，将运动数据离线的传输给PC机等智能终端。国内所申请的专利中，申请号为201020676320. 6的专利申请公开了一种多功能智能鞋，是基于加速度计实现的，其提到的“所述的空间传感器可以包括三轴加速度传感器，采集的原始数据包含空间位置、方向、加速度、加速度时间等，数据价值高”，其中对于采集的“原始数据包含”的内容表述是不科学的。加速度计本身只能输出代表实际加速度值的三个电压值，经过AD采样量化，以及做零偏和刻度因数的试验后，可以根据所选用的加速度计量程，通过计算还原成实际的加速度值。所谓“原始数据”自然也就只有加速度信息一种。而对于利用加速度计所得到的信息还原“空间位置”，工程上基本是不可能实现的，具体原因有三个I、所有的加速度计都是基于其本身的局部坐标系的，也就是说每一次所采集的加速度都是相对值，加速度计所输出的信息是三个局部坐标系轴向上的加速度，而局部坐标系的本身就是一个不断变化的，其原点位置和姿态都是随着人体的脚部的移动随时变化的。单靠加速度计是无法还原出加速度在空间中的真实方位的，当然也就不可能实现“空间位置”的测量；2、其所谓的“可以根据实际应用中不同功能的鞋子，设计安放位置”对于计算“空间位置”是一个巨大的缺陷，原因在于如果加速度计的放置位置是任意的，比如将所谓的“空间传感器”绑在鞋带上，那么加速度计的基准位置就是不定的(运动过程中会剧烈晃动，导致姿态变化。退一步讲，即使绑的很结实，那么每个人体绑的位置和姿态不同，加速度计的三个轴向输出的基准值也是不同的，也就是说静止状态时刻，加速度计三个轴向的输出电压是不确定的，XYZ三个轴向的静止时刻加速度输出也是各不相同的)，一般而言，对于平放在地面的加速度计，设地平面为XOY面，天地轴为Z轴，其经过计算量化后的实际输出应该接近，aX=0，aY=0，aZ=g (其中g是重力加速度)。因此，想要测量“空间位置”，校准是必不可少的，即使将装置平放在鞋底，也是需要对静止状态下加速度计三个轴向的输出进行测量，作为校正的基准，才有可能通过加速度等原始数据测量得到所谓的“空间位置”。3、加速度计至少需要配合陀螺(最好还要附加磁阻传感器进行航向修正)，才可以测量传感器所在载体的“空间位置”，因为陀螺(附加磁阻传感器)可以提供运动的方向数据，将加速度计所计算得到的相对坐标系下的位移量，通过空间坐标的转换，转换到绝对的坐标系下，经过每一个计算周期不断的计算，才可以计算得到空间位置以及姿态信息。因此在实际应用中，仅仅依靠三轴加速度计，是几乎不可能计算出所谓的“空间位置”的。此外，任何电池供电过程中，电压都是在不断下降的，而对于加速度计，工作电压直接影响到其三个轴向的电压输出。由于在实际的工程应用中，，人在较快的运动中，其脚部瞬时加速度绝对值可达5g，因此以± IOg的量程的加速度计为例，3. 3V供电，2. 5V参考电压下，实际输出的零偏I. 65V，当工作电压下降0. 05V，则代表着实际输出的加速度将偏差为10g*0. 05/ (2. 5-1. 65)=0. 588g，也意味着误差将达到重力加速度的一半还多，这将严重影响到对于实际加速度和速度，以及位置等信息的计算。因此对于任何依靠加速度计进行测量的系统，稳定工作电压是必不可少的，否则所量化得到的加速度值本身就是错误的，也就无从谈起后续的速度和距离等的计算。对于一种可以植入鞋子内部的无线传感器，必须要考虑其功耗问题，否则会导致使用时间过短，或者由于功耗太大需要安装大容量的电池，将会带来体积和重量过大，不利 于安装和使用的情况。因此无论是选择MCU还是无线通讯手段，都要按照低功耗的原则选取。针对无线通讯这一关键技术而言，某些专利文献中所谓采用WIFI以及电信领域的通讯技术，是完全不具备可行性的，原因在于目前WIFI以及电信领域通讯技术的功耗过大。目前而言，低功耗蓝牙技术，以及Zigbee技术是比较切实可行的通讯解决方案。
发明内容
本发明针对前述背景技术中存在的几点不足，设计了一种基于单个三轴加速度计和Zigbee无线通讯�？榈娜颂逶硕畔⒓觳庾爸眉捌浼觳夥椒ǎ龅募觳夥椒ɑ诓教侗鸺际鹾屯臣剖萁＃灰揽咳峒铀俣燃凭涂梢允迪植糠秩颂逶硕畔⒌募觳猓⑶姨畈沽死玫ジ鋈峒铀俣燃撇饬咳颂逶硕较颍溆糜谌嘶换ビτ玫目瞻�。依靠低功耗的单片机配合Zigbee通讯技术，实现了较低的整机功耗，可以采用较低容量的电池，有利于缩小整个系统的体积和重量，使得系统可以很方便的植入鞋子内部。本发明所述的一种基于三轴加速度计和Zigbee无线模块的人体运动信息检测装置，主要包括设置在一双鞋子上的无线传感综合�？楹土釉赑C终端的上位机接收模块，所述的无线传感综合�？榘ɑ谌峒铀俣燃频娜杂啥却衅鞯ピ�、中央处理单元、无线传输模块A、基于闪存的存储单元、独立供电的可充放电电源单元和电源控制芯片；所述的电源单元为三自由度传感器单元、中央处理单元、无线传输�？楹痛娲⒌ピ┑纾龅娜杂啥却衅鞯ピ杉募铀俣刃畔⒕藕诺骼淼ピ骼砗蠼胫醒氪淼ピ醒氪淼ピ允萁写砗蟮玫饺颂逶硕畔ⅲ徊糠执娲⒃诖娲⒌ピ校硪徊糠钟晌尴叽淠？锳传送到上位机接收模块，实现对PC、手机、电视和其他智能终端的交互控制。所述的人体运动信息主要包括加速度a、速度V、运动的起止时间Tstart、Tend、每一次运动的距离d、检测到运动初始时刻、人体出脚的方向0 (相对于局部坐标系的方向)和运动的步数step。本发明中将采集人体运动信息的无线传感综合�？榉胖迷谛拥淖愎Γ蛴辛降悖湟辉谟谧愎κ芰π。谖尴叽凶酆夏？榈谋；ぃ黄涠谟谛拥撞拷衔教梗铀俣燃圃诰仓棺刺滤矫媪礁鲋嵯虻氖涑黾铀俣冉咏麿，有利于后期计算。本发明中将设置有凹槽的鞋作为存放无线传感综合�？榈脑靥�。在设计上，左右脚每只鞋子足弓处有凹槽，便于无线传感综合�？榈陌沧昂凸潭ǎ陨杓圃谛拥撞浚湓蛟谟诙杂谌颂宥裕诰仓棺刺拢子氲孛媸腔酒叫械模诘仄矫婺诹礁鲋嵯虻募铀俣仁涑龌臼窃�0左右(由于噪声的存在以及量化误差，其输出是不绝对为0的)，有利于后期的运动检测，并可以采用校准技术使测量结果更加精确；此外鞋子本身与无线传感综合�？榭煞掷耄康脑谟诒阌谛拥那逑矗换崴鸹档缱由璞福淮送猓阌诟尴叽凶酆夏？槌涞�。本发明设计了一种基于单个三轴加速度计和Zigbee无线�？榈娜颂逶硕畔⒉杉低常⑻岢隽艘恢只谀Ｊ绞侗鸺际醯脑硕觳夥椒ǎ⑼ü臣剖萁＃隽艘� 种改进的运动距离测量方法。本发明将人体运动信息作为触发性的消息，通过无线传输方式发送给上位机，进行人机交互使用，可以用来控制PC、手机等智能终端，用以玩游戏等用途。所述的检测方法包括如下步骤(I)在人体静止状态下进行校准，下位机中的三轴加速度计测量得到静止状态下的加速度基准值ax(l，ay0, az0,上位机向下位机发送开始采集数据指令，同时提示人体自由移动；(2)三轴加速度计采集加速度数据，加速度数据经过信号调理单元后进入中央处理单元，中央处理单元按照预设的时钟周期对采集到的数据进行解算，解算得到人体运动信息，并将人体运动信息数据存储于数据存储单元中；(3)人体运动起止时刻检测，具体为当前时刻T=k时，通过三轴加速度计，获得鞋子局部坐标系的三个坐标轴方向上的加速度，分别记作ax, ay, az ;当人体发生了移动时,令人体运动起始时刻Tstart=k,即完成了人体运动初始时刻检测，具体方式如下计算本时刻的加速度值^j(ax-axoy +(ay-ay0Y +(az-a20f，将该加速度值与阈值ThresholdA进行对比，如果发现T=k时刻该加速度值大于阈值ThresholdA即认为人体存在脚部移动，如果接下来的m个周期，加速度值都大于阈值ThresholdA，且当前状态为静止状态，即认为人体的脚部出现了移动；当人体的运动信息满足两个条件时，即认为运动停止其一是加速度值连续P个周期小于阈值ThresholdA,其二是当前状态为运动状态；当满足这两个条件时，即认为是一次动作的结束，即当T=k时刻到T=k+p时刻，有以下两个条件满足」(ax — ax0)2 + (av -av0)2 + {a. -az0f < ThresholdA记录此刻的时间,令Tend=k+p,即为运动结束时刻；人体脚部有移动，转入(4);如果检测到人体脚部没有运动，返回步骤(2)继续进行数据采集；(4)检测到人体脚部有运动，则在此后的n个周期内，利用一次积分运算获得鞋子局部坐标系XbYbZb三个轴向上的速度Vx (n)，Vy (n)，Vz (n)，当n=N时刻，N为自然数，即根据局部坐标系三个轴向上的速度Vx，Vy, Vz的值，得到相对于鞋子局部坐标系下的一个三维矢量(Vx，Vy，Vz)，该矢量即表示人体所出脚的方位，判断得到人体出脚的方向；(5)对于距离的测量，通过对大量样本的检测，基于步态识别技术，令d = K(AxyMa-(,其中K为常数，C为基准常数，AxyMax是运动过程中，XOY平面上的加速度的最大值，Axi^lax =Max(^ax2+a；):所计算得到的鞋子的运动数据将存储在下位机的缓存中，并传递给无线传输�？锳发送；(6)上位机接收�？榻邮瘴尴叽淠？锳发送的信息，上位机中的单片机将人体脚部的移动信息传输给上位机的数据缓冲区，以备系统调用。 本发明的创新性和优点在于I、依托内置在鞋子足弓处的无线传感综合�？椋杓屏艘恢只谀Ｊ绞侗鸺际醯娜颂逶硕觳夥椒ǎ哂惺视Ψ段Ч悖既仿矢叩奶氐悖�2、提出了一种基于步态识别技术的改进型的距离测量算法，具有计算简便，无需每时每刻进行积分，而是通过一种统计规律结合运动模态进行数学建模，实现了一种近似的估算。相比通过二次积分计算距离，本方法具有没有累计误差的特点，因为人体运动的速度是不断的积分计算得到的，长期的计算将会造成累计误差。而本发明提供的计算方法是在每个运动周期内，根据经验公式通过原始数据加速度来进行推算，不涉及计算速度也无需进行再次积分算位移，因此没有累计误差。3、采用触发方式进行运动数据的无线传输并用以人机交互，也就是检测到人体有运动发生的时候才发送数据，使得系统功耗大大降低，比如控制游戏和其他人机交互应用时，只有当人体作出动作时，才将运动信息向上位机发送，而不是每时每刻的发送，这样的设计模式将大大降低功耗。进一步提高系统的待机能力和使用时间。4、系统采用低功耗设计，所选择的MCU为低功耗的单片机，用于无线接收和发送的无线传输模块采用了近距离低功耗的无线解决方案Zigbee。低功耗的设计也使得系统可以使用体积和容量更小的电池，以减小整个系统重量和体积，更加有利于放置在鞋子的底部。
5、采用了稳压供电设计，避免了加速度计在使用电池供电过程中，由于工作电压下降带来的量化后的加速度值的误差。
图I为设置有无线传感综合�？榈男咏峁故疽馔迹煌�2为鞋子上局部坐标系示意图；图3为本发明中的无线传感综合�？橛肷衔换邮漳？榈慕峁故疽馔迹煌�4为无线传感综合�？椴杉硕畔⒌墓ぷ髁鞒掏迹煌�5上位机接收�？榈挠布槌山峁故疽馔�。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出了一种基于三轴加速度计和Zigbee无线�？榈娜颂逶硕畔⒓觳庾爸眉捌涫迪址椒āＨ缤糏所示，所述的鞋子I在底部设置有无线传感综合�？�2，优选将无线传感综合�？�2设置在鞋子的足弓处；所述的无线传感综合模块2与上位机接收�？�3之间基于无线通讯进行连接，上位机接收�？�3直接与PC机等终端设备连接。本发明提供的人体运动信息检测装置包括无线传感综合�？�2和上位机接收�？�3，所述的无线传感综合�？�2与上位机接收�？�3进行无线通信，上位机接收�？�3用于接收鞋子I的运动信息，所得到的运动信息可以应用于数据分析、仿真虚拟训练或人机交互。无线传感综合�？�2上采用低功耗单片机作为中央处理单元的处理器，人体脚部运动数据的解算过程全部在无线传感综合�？�2内部完成，实现了更高的集成度。所述的无线传感综合�？�2安置在鞋子底部，并且无线传感综合�？�2的质心作为鞋子局部坐标系的原点，鞋子局部坐标系的建立如图2所示原点0为本发明鞋子上的无线传感综合�？�2的质心，xb, yb, zb轴分别指向鞋子的纵轴、横轴、和竖轴向上。 所述的无线传感综合�？�2和上位机接收�？�3之间的通信实现如附图3所示，二者通过无线传输�？锳和无线传输�？锽实现通信。其中的无线传感综合�？�2含基于三轴加速度计的三自由度传感器单元、信号调理单元、中央处理单元、无线传输�？锳、数据存储单元、电源单元和设置在电源单元输出端的电源控制芯片，所述的电源单元用于为三自由度传感器单元中的三轴加速度计、信号调理单元、中央处理单元、无线传输�？锳和数据存储单元供电；所述的电源控制芯片用于将电源单元输出电压稳定到其他�？樗璧缪梗凰龅娜峒铀俣燃撇杉尤鲋嵘系募铀俣仍硕畔⒉⒕藕诺骼淼ピ骼砦捎眯藕藕螅⑺偷街醒氪淼ピ狹CU，经过基于校准技术的运动检测，以及相关计算，得到人体的运动信息。所述的人体运动信息主要包括加速度a、速度V、运动的起止时间Tstart和Tend、每一次运动的距离d、以及检测到运动初始时刻、人体出脚的方向0 (相对于局部坐标系的方向)，以及运动的步数step。人体运动信息一部分存储在数据存储单元，一部分经过无线传输�？锳的发送端发送给上位机接收�？�。所述的上位机接收�？�3，面向PC等带有USB接口的设备，其包含单片机、无线传输�？锽、USB/UART接口转换芯片、电源芯片以及USB接口，如图5所示，所述的无线传输�？锽的接收端接收无线传输�？锳的发送端的人体运动信息数据，而信号类型转换芯片为FT232R，FT232R为USB/UART转换芯片，其主要功能是在内部硬件逻辑作用下实现USB和一步串行数据传输接口的转换。芯片内部继承了 1024位的EEPROM和多频率时钟发生器(6MHz，12MHz，24MHz，48MHz)。电源芯片采用上文提到的AMS1117-3. 3，提供3. 3V输出为FT232R和Zigbee模块供电。USB接口用于与终端设备如PC机相连，完成数据传输以及电源供电功能。无线传输�？锽接收的人体运动信息数据通过接口转换后，转换为可传输的格式输出到PC等设备终端。上位机中的单片机用于将人体脚部的移动信息传输给上位机的数据缓冲区，以备系统调用。中央处理单元选用自带高精度AD采集以及看门狗的MCU。AD采集用于获得经过信号调理单元调理的三自由度传感器单元的电压输出，并还原为加速度信息，经过一次积分得到速度信息，通过基于统计数据的数学建模，对于整个运动状态中的加速度进行分析，计算得到每一次移动的距离。看门狗用于当处理器程序跑飞或者处于死机状态时，看门狗将从硬件上对处理器进行强制复位，使处理器重新进入正常工作模式。特别的，电源控制芯片将负责为三自由度传感器单元中的三轴加速度计和中央处理单元中的单片机等提供稳定的电压，主要为了解决加速度计此类惯性器件，对工作电压的敏感问题，如果供电电压不断下降，将会给后续的加速度计的输出的加速度值造成很大的误差。上位机接收�？樽魑邮蘸痛硇又形尴叽凶酆夏？樗⑺托畔⒌哪？椋浜诵脑谟谕ü尴咄ㄑ缎椋胛尴叽凶酆夏？榻⒘硬⒔邮障喙厥荩⑸柚贸跏蓟笨痰墓ぷ髂Ｊ揭约肮ぷ鞑问�。针对所选用的加速度计，需要进行使用之前的标定，通过国家标准的位置实验，标定所选用加速度计的零偏V0，以及刻度因数scale。作为后续计算的基础。标定后的三个
轴向加速度的电压值即可由下列公式转换为实际的加速度，计算公式为，以X轴向为例
权利要求
1.一种人体运动信息检测方法，其特征在于 (1)在人体静止状态下进行校准，下位机中的三轴加速度计测量得到静止状态下的加速度基准值ax(l，ay0, az0,上位机向下位机发送开始采集数据指令，同时提示人体自由移动； (2)三轴加速度计采集加速度数据，加速度数据经过信号调理单元后进入中央处理单元，中央处理单元按照预设的时钟周期对采集到的数据进行解算，解算得到人体运动信息，并将人体运动信息数据存储于数据存储单元中； (3)人体运动起止时刻检测，具体为 当前时刻T=k时，通过三轴加速度计，获得鞋子局部坐标系的三个坐标轴方向上的加速度，分别记作ax, ay, az ;当人体发生了移动时,令人体运动起始时刻Tstart=k,即完成了人体运动初始时刻检测，具体方式如下 计算本时刻的加速度值
2.根据权利要求I所述的一种人体运动信息检测方法，其特征在于所述的检测方法还包括人体脚部运动速度的测量，速度V的测量，是通过人体在运动起脚开始时刻Tstart直到落脚时刻Tend，沿着三个轴向进行加速度积分计算得到，得到三个轴向的速度信息Vx (n)，Vy (η)，Vz (η)，则 n 时刻
3.根据权利要求I所述的一种人体运动信息检测方法，其特征在于所述的检测方法还包括步数的测量，根据测量人体运动的起止时刻，每一个起止周期，将步数step加1，即完成了计步器的功能。
4.一种人体运动信息检测装置，其特征在于包括设置在一双鞋子上的无线传感综合�？楹土釉赑C终端的上位机接收模 块，所述的无线传感综合�？榘ɑ谌峒铀俣燃频娜杂啥却衅鞯ピ⒅醒氪淼ピ�、无线传输�？锳、基于闪存的存储单元、独立供电的可充放电电源单元和电源控制芯片；所述的电源单元为三自由度传感器单元、中央处理单元、无线传输�？楹痛娲⒌ピ┑纾龅娜杂啥却衅鞯ピ杉募铀俣刃畔⒕藕诺骼淼ピ骼砗蠼胫醒氪淼ピ醒氪淼ピ允萁写砗蟮玫饺颂逶硕畔ⅲ徊糠执娲⒃诖娲⒌ピ校硪徊糠钟晌尴叽淠？锳传送到上位机接收模块，实现对PC、手机、电视和其他智能终端的交互控制。
5.根据权利要求4所述的一种人体运动信息检测装置，其特征在于所述的人体运动信息包括加速度a、速度V、运动的起止时间Tstart、Tend、每一次运动的距离d、检测到运动初始时刻、人体出脚的方向和运动的步数step。
6.根据权利要求4所述的一种人体运动信息检测装置，其特征在于所述的上位机接收�？槊嫦虼蠻SB接口的PC设备，其包含单片机、无线传输�？锽、USB/UART接口转换芯片、电源芯片以及USB接口，所述的无线传输�？锽的接收端接收无线传输�？锳的发送端的人体运动信息数据，通过接口转换后，转换为可传输的格式输出到PC设备终端；上位机中的单片机用于将人体脚部的移动信息传输给上位机的数据缓冲区，以备系统调用。
7.根据权利要求4所述的一种人体运动信息检测装置，其特征在于所述的无线传输�？锳和无线传输�？锽采用Zigbee模块。
全文摘要
本发明公开了一种人体运动信息检测装置及其检测方法，属于电子信息与模式识别领域。本发明人体运动信息检测装置及其检测方法基于单个三轴加速度计和Zigbee模块，所述的检测方法基于步态识别技术和统计数据建模，只依靠三轴加速度计就可以实现部分人体运动信息的检测；检测装置包括设置在一双鞋子上的无线传感综合�？楹土釉赑C终端的上位机接收�？椋捎么シ⒎绞浇性硕莸奈尴叽洳⒂靡匀嘶换ィ徊捎肸igbee低功耗的设计也使得系统可以使用体积和容量更小的电池，以减小整个系统重量和体积，更加有利于放置在鞋子的底部；采用稳压供电设计，避免了加速度计在使用电池供电过程中，由于工作电压下降带来的量化后的加速度值的误差。
文档编号G01P13/00GK102818913SQ20121027047
公开日2012年12月12日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者宋子健, 刘高峰, 金辉, 吕建勋 申请人:宋子健, 刘高峰
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