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专利名称：一种基于 mems 传感器的运动跟踪系统及方法
技术领域：
本发明涉及运动跟踪领域，尤其涉及一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统及方法。
背景技术：
运动跟踪系统是记录物体(如人体等)运动姿态的装置。其主要由以下两种形式实现:第一种是通过外部传感设备，比如电磁学、声学或光学设备。以外部设备为主的跟踪系统主要由测量信号源、信号反馈装置和接收传感器组成，通过由被测物反馈信号源产生的特定测量信号，接收传感器利用其中携带的信息还原被测物运动过程。第二种是通过附着于被跟踪物的MEMS (Micro Electro Mechanical System,微机电系统)传感器采集数据，由一定的算法直接计算被测物运动状态。以上两种方式中，外部传感方式，如光学测量，具有精度高、分辨度高的特点，但是成本高，安装难度大，前期准备时间长；而采用MEMS传感器的方法具有更少的限制与更强的环境适应性。目前应用于三维空间运动跟踪系统的比较成熟的MEMS解决方案是:使用三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器共九维数据，利用一定的数据融合算法得到被测物姿态的三维旋转角和三维空间位移。由于每个跟踪节点需要传输的数据除这些信息之外，一般还针对各种具体应用附带了自定义信息，并且为满足系统实时性需求，数据更新频率一般在50Hz以上，因此信息传输量大；同时节点数量必须满足应用的要求(一般人体全身跟踪需要17个以上的节点)。传统传感器网络低功耗低速率脉冲式的无线通信协议并不适合直接应用在这类系统中，因为:现有系统一般先将各节点统一或部分使用电缆有线连接到某些运动的嵌入式系统上，再使用无线通信方式将汇总的数据传输至上位机。但这些方法由于节点数量与位置受到限制，功耗也受到限制，从而影响了基于MEMS传感器的运动跟踪系统的可扩展性和灵活性。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述基于MEMS传感器的运动跟踪系统的可扩展性和灵活性差的缺陷，提供一种可扩展性和灵活性好的基于MEMS传感器的运动跟踪系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统，用于跟踪被跟踪物的运动，所述被跟踪物具有多组节点，且每组节点的节点数量最多为七个；所述运动跟踪系统包括:上位机、与所述上位机连接且与每组节点对应的多个蓝牙主机、及设置在每个节点上的感测装置，所述感测装置包括=MEMS传感单元、数据处理单元、数据接口及蓝牙从机，其中，所述MEMS传感单元，用于每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数；所述数据处理单元，用于对所采集的运动参数进行融合处理，以获得被跟踪物相应节点的运动信息，并将所述运动信息通过所述数据接口发送至相应的蓝牙从机；
所述蓝牙从机，用于将所接收的运动信息转换为蓝牙信号，并利用蓝牙协议将所述蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机；所述上位机，用于从所述多个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号，以生成被跟踪物的运动信息。在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统中，所述上位机还用于通过相应的蓝牙主机将相应的指令信号发送至相应的蓝牙从机。 在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统中，所述MEMS传感器包括分别设置在X、Y、Z每个轴上的加速度计、陀螺仪和磁传感器，且X、Y、Z三轴正交设置；所述感测装置还包括校正单元，所述校正单元用于对每个轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处理，并将校正后的数据送入相应的数据处理单元。在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统中，所述校正单元通过球形约束算法对磁传感器所采集的数据进行校正处理。在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统中，所述感测装置还包括:存储单元，用于以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统中，所述感测装置还包括供电电源和电压管理单元，且所述供电电源通过所述电压管理单元为所述MEMS传感单元、数据处理单元、蓝牙从机供电。在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统中，所述感测装置还包括充电接口和充电管理单元，且所述充电接口用于从市电取电，并通过所述充电管理单元为所述供电电源充电。本发明还构造一种基于MEMS传感器的运动跟踪方法，包括:A.设置在被跟踪物的每个节点上的MEMS传感单元每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数；B.设置在被跟踪物的每个节点上的数据处理单元对所采集的运动参数进行融合处理，以获得被跟踪物相应节点的运动信息，并将所述运动信息通过所述数据接口发送至相应的蓝牙从机；C.设置在被跟踪物的每个节点上的蓝牙从机将所接收的运动信息转换为蓝牙信号，并利用蓝牙协议将所述蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机；D.上位机从各个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号，以生成被跟踪物的运动信息。在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪方法中，所述MEMS传感器包括分别设置在X、Y、Z每个轴上的加速度计、陀螺仪和磁传感器，且X、Y、Z三轴正交设置；在所述步骤A和步骤B之间，还包括:E.设置在被跟踪物的每个节点上的校正单元对每个轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处理，并将校正后的数据送入数据处理单元。在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪方法中，在所述步骤A和步骤E之间，还包括:以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。实施本发明的技术方案，相较现有的运动跟踪系统，其优点在于:由于单一蓝牙子网最多仅需承受7个节点的数据通信压力，为通信速率留出足够余量，同时能够满足运动跟踪系统多节点、高速率的要求。而且，使用了蓝牙协议无线组网，使节点完全物理独立，当节点数量大幅度增加时无需技术投入，直接增加与上位机连接的蓝牙主机数即可，理论上无最大节点数限制，方便适应不同的跟踪对象，因此，可根据应用灵活调整蓝牙子网数量，扩展性和灵活性好。同时，通过对磁传感器所采集的数据进行校正，抑制了环境中的硬铁干扰，特别是电池、无线"[目号等广生的影响，提闻了跟踪精度。


下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:图1是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统实施例一的逻辑图；图2是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统中感测装置实施例一的逻辑图；图3是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统中感测装置的MEMS传感器实施例一的逻辑图；图4是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统中感测装置实施例二的逻辑图；图5是本发明磁传感器所采集的磁数据队列存储的示意图；图6是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪方法实施例一的流程图；图7是本发明基 于MEMS传感器的运动跟踪方法实施例二的流程图。
具体实施例方式图1是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统实施例一的逻辑图，该运动跟踪系统用于跟踪被跟踪物(例如人体)的运动，该被跟踪物具有多组节点，且每组节点的节点数量最多为七个，例如，第一组节点分别为节点1.1、1.2、…、1.7，第二组节点分别为节点
2.1、2.2、…、2.7，第三组节点分别为节点n.1、n.2、…、n.7。还应说明的是，节点的分组是人为操作，与节点的自然属性无关。且该运动跟踪系统包括:上位机14、与每组节点对应的多个蓝牙主机，例如与第一组节点对应的蓝牙主机13、及设置在每个节点上的感测装置，例如设置在节点1.1上的感测装置11。其中，多个蓝牙主机分别与上位机14连接，而且，结合图2所示的感测装置实施例一的逻辑图，该感测装置，例如感测装置11，包括:MEMS传感单元111、数据处理单元112、数据接口 113和蓝牙从机114，而且，MEMS传感单元111用于每隔预设时间采集一次被跟踪物节点1.1的运动参数，为了保证跟踪系统的动态性能，这个间隔时间通常小于20ms ;数据处理单元112用于对所采集的运动参数进行融合处理，例如，通过扩展的卡尔曼滤波器进行滤波，以获得被跟踪物节点1.1的运动信息，并将所述运动信息通过数据接口 113发送至蓝牙从机114，例如，将运动信息和附加信息打包，以数据帧的格式通过数据接口送至蓝牙从机；蓝牙从机114用于将所接收的运动信息转换为蓝牙信号12，并利用蓝牙协议将蓝牙信号12发送至蓝牙主机13。蓝牙主机13 —般是上位机(中央计算机)蓝牙适配器，通过接收各节点蓝牙从机发回的数据，将数据传输给上位机进行进一步处理。上位机14用于从多个蓝牙主机，例如蓝牙主机13，收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号，以生成被跟踪物的运动信息。另外，上位机14还用于通过相应的蓝牙主机，例如蓝牙主机13，将相应的指令信号发送至相应的蓝牙从机，例如蓝牙从机114。
在本实施例的跟踪系统中，使用蓝牙协议进行无线组网，虽然一个蓝牙主机仅支持最多7个蓝牙从机接入，但具备较高通信速率、较低实现成本、较远通信距离(蓝牙信号功率Classl等级下可达IOOm以上)和合适的功率消耗等优势。如图1所示，在一个蓝牙子网15内，节点11的感测装置将通过传感、计算及打包的数据帧通过蓝牙信号12发送至蓝牙主机13，再由蓝牙主机13将本子网节点的数据送至上位机14进行进一步处理。由于各节点与上位机之间采用蓝牙协议通信，各蓝牙主机最多接入7个节点，而运动跟踪系统节点数量一般为该值二至三倍，例如17个。而且，本发明还可使用额外的蓝牙主机进行扩展，由于上位机14连接蓝牙主机的数量理论上不受限制，扩展数量并不提高技术难度，因此利用多个蓝牙主机提供各自的蓝牙子网，可以成倍数扩大节点数量。该种方式的优点在于，由于单一蓝牙子网最多仅需承受7个节点的数据通信压力，为通信速率留出足够余量，同时能够满足运动跟踪系统多节点、高速率的要求，且系统可根据应用灵活调整蓝牙子网数量。图3是发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统中感测装置的MEMS传感器实施例一的逻辑图，该MEMS传感器包括分别设置在X、Y、Z每个轴上的加速度计411、412、413、陀螺仪421、422、423和磁传感器431、432、433，且X、Y、Z三轴正交设置。图4是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统中感测装置实施例二的逻辑图，该实施例的感测装置相比图2所示的实施例，所不同的仅是:该感测装置还包括校正单元115、存储单元116、电压管理单元117、供电电源118、充电接口 119和充电管理单元110。其中，校正单元115用于对每个轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处理，并将校正后的数据送入数据处理单元112，也BP,MEMS传感器111采集到原始数据后，一部分(加速度数据、角度数据)直接送入数据处理单元112，另一部分(磁数据)先送入校正单元115进行校正处理，主要是抑制磁传感器数据受到的硬铁(例如电池等)干扰，校正处理后再送入数据处理单元112。存储单元116用于以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据，结合图5，在运动跟踪进行时，每隔一段时间间隔采集一次磁传感器的原始数据，以队列形式动态代替存储器中最旧的数据。当跟踪开始时由于磁传感器三维空间进行自由旋转，因此队列内填充有初始数据且队列指针指向第一个元素，即认为该元素最旧。当开始新一轮数据采集时，队列指针指向的元素被清除出队，新数据被放置到该位置，并将指针向后移动一位，完成一次数据替换。当指针到达队列末尾时，向后移动一位的操作改为指向队列头(即编号I的单元)。数据替换完成之后校正单元115可利用这些值对磁传感器数据进行校正。另外，每个节点的感测装置都有独立的电源，例如，供电电源118可以是碱性电池或锂电池。当使用可更换的碱性电池时，可省略充电接口 119与充电管理单元110 ;当使用锂电池作为供电电源118时，充电接口 119从市电取电，并通过充电管理单元110为锂电池(供电电源118 )充电，充电管理单元110对锂电池进行充电控制，减少其充电时间并保证其寿命。供电电源118通过电压管理单元117保证节点其余部分正常工作，例如，供电电源118通过电压管理单元117为MEMS传感单元111、数据处理单元112、蓝牙从机114供电。在本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统的一个优选实施例中，校正单元115利用地磁场球形约束对原始磁数据进行校正，具体为:X、Y、Z三轴相互正交的磁传感器在不
受干扰的情况下，其三个方向磁场强度矢量<、By, /(与地磁强度Bm的满足:
权利要求
1.一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统，用于跟踪被跟踪物的运动，其特征在于，所述被跟踪物具有多组节点，且每组节点的节点数量最多为七个；所述运动跟踪系统包括:上位机、与所述上位机连接且与每组节点对应的多个蓝牙主机、及设置在每个节点上的感测装置，所述感测装置包括=MEMS传感单元、数据处理单元、数据接口及蓝牙从机，其中， 所述MEMS传感单元，用于每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数； 所述数据处理单元，用于对所采集的运动参数进行融合处理，以获得被跟踪物相应节点的运动信息，并将所述运动信息通过所述数据接口发送至相应的蓝牙从机； 所述蓝牙从机，用于将所接收的运动信息转换为蓝牙信号，并利用蓝牙协议将所述蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机； 所述上位机，用于从所述多个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号，以生成被跟踪物的运动信息。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统，其特征在于，所述上位机还用于通过相应的蓝牙主机将相应的指令信号发送至相应的蓝牙从机。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统，其特征在于，所述MEMS传感器包括分别设置在X、Y、Z每个轴上的加速度计、陀螺仪和磁传感器，且X、Y、Z三轴正交设置；所述感测装置还包括校正单元，所述校正单元用于对每个轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处理，并将校正后的数据送入相应的数据处理单元。
4.根据权利要求3所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统，其特征在于，所述校正单元通过球形约束算 法对磁传感器所采集的数据进行校正处理。
5.根据权利要求3所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统，其特征在于，所述感测装置还包括: 存储单元，用于以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。
6.根据权利要求1所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统，其特征在于，所述感测装置还包括供电电源和电压管理单元，且所述供电电源通过所述电压管理单元为所述MEMS传感单元、数据处理单元、蓝牙从机供电。
7.根据权利要求6所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统，其特征在于，所述感测装置还包括充电接口和充电管理单元，且所述充电接口用于从市电取电，并通过所述充电管理单元为所述供电电源充电。
8.一种基于MEMS传感器的运动跟踪方法，其特征在于，包括: A.设置在被跟踪物的每个节点上的MEMS传感单元每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数； B.设置在被跟踪物的每个节点上的数据处理单元对所采集的运动参数进行融合处理，以获得被跟踪物相应节点的运动信息，并将所述运动信息通过所述数据接口发送至相应的蓝牙从机； C.设置在被跟踪物的每个节点上的蓝牙从机将所接收的运动信息转换为蓝牙信号，并利用蓝牙协议将所述蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机； D.上位机从各个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号，以生成被跟踪物的运动信息。
9.根据权利要求8所述的基于MEMS传感器的运动跟踪方法，其特征在于，所述MEMS传感器包括分别设置在X、Y、Z每个轴上的加速度计、陀螺仪和磁传感器，且X、Y、Z三轴正交设置； 在所述步骤A和步骤B之间，还包括: E.设置在被跟踪物的每个节点上的校正单元对每个轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处理，并将校正后的数据送入数据处理单元。
10.根据权 利要求9所述的基于MEMS传感器的运动跟踪方法，其特征在于，在所述步骤A和步骤E之间，还包括: 以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。
全文摘要
本发明公开了一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统及方法，运动跟踪系统包括上位机、多个蓝牙主机、及设置在每个节点上的感测装置，感测装置包括MEMS传感单元，用于每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数；数据处理单元，用于对所采集的运动参数进行融合处理，以获得被跟踪物相应节点的运动信息，并将运动信息通过数据接口发送至相应的蓝牙从机；蓝牙从机，用于将所接收的运动信息转换为蓝牙信号，并利用蓝牙协议将蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机；上位机，用于从多个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号，以生成被跟踪物的运动信息。实施本发明的技术方案，满足运动跟踪系统多节点、高速率的要求，而且，扩展性和灵活性好。
文档编号G01C23/00GK103105176SQ20121041004
公开日2013年5月15日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者张盛, 刘艺, 马天鸣, 肖康 申请人:清华大学深圳研究生院