基于慣性傳感器的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1.國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541003； 2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

動(dòng)作捕捉技術(shù)是通過(guò)數(shù)字測(cè)量技術(shù)實(shí)時(shí)獲取人體的三維運(yùn)動(dòng)信息，然后對(duì)信息進(jìn)行分析和使用。弗萊舍在1915年發(fā)明的動(dòng)態(tài)遮罩技術(shù)被認(rèn)為是動(dòng)作捕捉技術(shù)的始祖。20世紀(jì)70年代，紐約計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種光學(xué)動(dòng)作捕捉裝置，能夠?qū)崟r(shí)地在屏幕上顯示演員的動(dòng)作，成為了現(xiàn)代動(dòng)作捕捉技術(shù)的起始[1]?，F(xiàn)代動(dòng)作捕捉系統(tǒng)基于捕捉原理的不同，包括聲學(xué)式、電磁式、光學(xué)式、機(jī)械式、視頻捕捉式和慣性式[2]。聲學(xué)式和電磁式的捕捉系統(tǒng)精度比較差，且受環(huán)境噪聲和磁場(chǎng)的影響比較大[3]；光學(xué)式的捕捉系統(tǒng)精度高，但安裝復(fù)雜，成本高和對(duì)環(huán)境要求高；機(jī)械式的動(dòng)作系統(tǒng)穿戴困難，且會(huì)影響人體的自由活動(dòng)；視頻捕捉式的捕捉系統(tǒng)雖然不需要在人體身上佩戴傳感節(jié)點(diǎn)，但算法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大?；趹T性傳感器的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其具有便攜穿戴、操作簡(jiǎn)單和成本低廉的特點(diǎn)，能夠不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，持續(xù)不斷地采集人體各個(gè)部位的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息，在跌倒監(jiān)測(cè)、體育訓(xùn)練、軍事訓(xùn)練、體感游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方面都得到了廣泛應(yīng)用[4]。例如在跌倒監(jiān)測(cè)方面，通過(guò)在手腕或其他部位佩戴慣性傳感器，實(shí)時(shí)采集佩戴部位的加速度、角速度等信息，當(dāng)人體突然跌倒時(shí)，佩戴部位的慣性數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生突然變化，從而判斷出人體發(fā)生跌倒，及時(shí)向家屬和醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行求助。

典型的基于慣性傳感器的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)主要由慣性傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理終端三部分組成[5-6]。慣性傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)采集人體相應(yīng)部位的運(yùn)動(dòng)慣性數(shù)據(jù)如：加速度和角速度等數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的慣性信息進(jìn)行整合和處理，通過(guò)有線或無(wú)線的方式發(fā)送到處理終端。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理終端對(duì)接收自傳輸節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和顯示，以備下一步的應(yīng)用。

目前，美國(guó)Inertiallabs公司已經(jīng)推出了商業(yè)化的慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)3Dsuit，荷蘭的Xsens公司也推出了自己的Xsens MVN慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)[7]，兩者都可以實(shí)時(shí)采集人體各部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)，快速地完成人體姿態(tài)地測(cè)量，已經(jīng)廣泛應(yīng)用與國(guó)外的CG電影制作。當(dāng)前國(guó)內(nèi)慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的商業(yè)化的程度比較低，大多數(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，浙江大學(xué)的李啟雷等人研發(fā)的慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)[8]，可以采集人體運(yùn)動(dòng)的加速度和磁力數(shù)據(jù)；中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的汪俊等人所設(shè)計(jì)的慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)[9]，各慣性傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線WIFI模塊進(jìn)行連接，節(jié)點(diǎn)的體積較大；馬杰和劉莉琛兩人所在的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于Zigbee通訊的慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)[10-11]，但Zigbee的通訊速率限制了捕捉系統(tǒng)的采樣速度與精度。

本文基于當(dāng)前對(duì)慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的研究，提出了一種基于慣性傳感器的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，各慣性傳感器節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)間通過(guò)485總線進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)處理終端間通過(guò)無(wú)線WIFI通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[12]，在減小傳感器節(jié)點(diǎn)體積的同時(shí)，提高了動(dòng)作捕捉系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率，極大提高了人體的活動(dòng)范圍，具有成本低、可靠性高和穿戴方便等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本文所設(shè)計(jì)的慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)包括MEMS慣性傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理終端四部分組成。慣性傳感器節(jié)點(diǎn)佩戴在人體的手部、腳部等各個(gè)部位，實(shí)時(shí)采集各部位的慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)按照一定的采樣頻率通過(guò)485總線向各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求慣性數(shù)據(jù)的指令，傳感器節(jié)點(diǎn)在接收到請(qǐng)求指令后，通過(guò)485總線將慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)在完成一次對(duì)485總線上所有傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后通過(guò)WIFI發(fā)送到數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)后，通過(guò)USB將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理終端。數(shù)據(jù)處理終端對(duì)接收到的慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)、處理、存儲(chǔ)和顯示，完成一次完整的慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸流程。

圖1 慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 慣性傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

圖2所示是慣性傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)圖，慣性傳感器節(jié)點(diǎn)板載一個(gè)型號(hào)為MPU9150的九軸慣性傳感器芯片，STM32F051主控芯片通過(guò)I2C接口即可讀取慣性傳感器所采集的三軸加速度數(shù)據(jù)、角速度數(shù)據(jù)與磁力計(jì)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展多路AD采集接口，擴(kuò)展接口可以連接肌電傳感器等生理信號(hào)傳感器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)更多人體運(yùn)動(dòng)生理數(shù)據(jù)的采集。各個(gè)傳感器、主控芯片與485通訊芯片通過(guò)一個(gè)3.3V的低壓差線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行供電，以減少電源的紋波噪聲對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響。

圖2 慣性傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)圖如圖3所示，節(jié)點(diǎn)上各個(gè)芯片通過(guò)3.3 V線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行供電，STM32F405主控芯片通過(guò)485總線向各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送慣性數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令，然后接收各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的慣性數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和打包后，通過(guò)SPI總線發(fā)送至CC3200芯片。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

CC3200是TI公司推出的一款具有片上SOC的WIFI通信芯片，支持站點(diǎn)(STA，Station)和無(wú)線接入點(diǎn)(AP，Access Point)兩種工作模式，在TCP通信協(xié)議下可以達(dá)到12 Mbps的通信速率，在UDP連接下可以達(dá)到16 Mbps的通信速率。同時(shí)CC3200內(nèi)部具有一個(gè)Cortex-M4核心的專用ARM CPU，負(fù)責(zé)建立兩個(gè)設(shè)備之間的WIFI連接和協(xié)議通訊，使得主控芯片可以免于無(wú)線通信的處理負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)的處理速度。CC3200在通過(guò)SPI接收到自STM32F405發(fā)送的慣性數(shù)據(jù)后，通過(guò)WIFI通訊發(fā)送至數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)。

2.3 數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

圖4所示是數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)圖，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的CC3200在接收到數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的運(yùn)動(dòng)慣性數(shù)據(jù)幀后，向主控芯片發(fā)送外部中斷，主控芯片在接收到外部中斷后，通過(guò)SPI接口讀取CC3200接收到的慣性數(shù)據(jù)幀，然后通過(guò)ULIP接口將數(shù)據(jù)經(jīng)USB3300芯片發(fā)送至數(shù)據(jù)處理設(shè)備。USB3300是一款支持USB2.0 High Speed 的PHY芯片，其最高可以達(dá)到480 Mbps的通信速度，滿足所設(shè)計(jì)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

圖4 數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 慣性傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

慣性傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖5所示，傳感器節(jié)點(diǎn)在上電后，stm32主控MCU按照設(shè)定的采樣頻率對(duì)定時(shí)器中斷進(jìn)行初始化，然后對(duì)I2C和USART通訊接口進(jìn)行初始化，等待定時(shí)器中斷的置位，通過(guò)I2C接口讀取MPU9150傳感器的三軸加速度、角速度和磁力計(jì)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保持到緩存buffer中，等待下次定時(shí)中斷的出現(xiàn)，對(duì)緩存buffer中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。在循環(huán)采集的過(guò)程中，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求指令的數(shù)據(jù)幀后，傳感器節(jié)點(diǎn)的串口接收中斷置位，程序進(jìn)入串口中斷服務(wù)函數(shù)中，首先對(duì)接收的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)，保證接收數(shù)據(jù)幀是完整無(wú)誤的，然后判斷數(shù)據(jù)幀是否為針對(duì)本節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)指令幀，如果指令請(qǐng)求地址與本節(jié)點(diǎn)地址相同，程序?qū)?duì)緩存buffer中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和校驗(yàn)，然后使能串口將節(jié)點(diǎn)慣性數(shù)據(jù)幀發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)，最后退出串口接收中斷服務(wù)函數(shù)。

圖5 慣性傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖

為保證慣性傳感器節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕乐褂捎跀?shù)據(jù)丟包而產(chǎn)生數(shù)據(jù)異常，節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換采用ModBus通信協(xié)議，通過(guò)數(shù)據(jù)幀中的CRC16校驗(yàn)碼保證數(shù)據(jù)的有效性，表1所示為慣性傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的慣性數(shù)據(jù)幀定義。如果數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)幀異常，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)將向相應(yīng)節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)指令。

表1 傳感器節(jié)點(diǎn)慣性數(shù)據(jù)幀定義

3.2 數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

圖6所示，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)在上電后，對(duì)stm32的各個(gè)外設(shè)進(jìn)行初始化，首先按照系統(tǒng)允許的傳感器節(jié)點(diǎn)地址范圍，依次發(fā)送對(duì)應(yīng)各節(jié)點(diǎn)地址的請(qǐng)求慣性數(shù)據(jù)指令幀，如果485總線上存在相應(yīng)地址的傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將回復(fù)慣性數(shù)據(jù)幀。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)接收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，且校驗(yàn)成功后，就將對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)地址存儲(chǔ)到節(jié)點(diǎn)輪詢地址表中，生成完整的節(jié)點(diǎn)輪詢地址表。按照系統(tǒng)設(shè)定的采樣頻率使能定時(shí)器中斷，當(dāng)中斷標(biāo)志置位后，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)按照節(jié)點(diǎn)輪詢地址表依次向各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令幀，請(qǐng)求慣性數(shù)據(jù)，在接收到慣性數(shù)據(jù)幀并校驗(yàn)成功后，保存至緩存buffer中。完成節(jié)點(diǎn)輪詢地址表中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的輪詢后，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和打包，生成數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的慣性數(shù)據(jù)幀，通過(guò)SPI接口發(fā)送至CC3200無(wú)線通信芯片，通過(guò)WIFI通訊發(fā)送至數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)中，主控處理器的串口接收和發(fā)送，SPI接口的發(fā)送和接收，均采用DMA傳輸，在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的過(guò)程中，不需要處理器參與操作，可以大大減少處理器的負(fù)擔(dān)。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖

3.3 數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)處理終端與數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)之間的通訊橋梁，完成數(shù)據(jù)透?jìng)?，其程序的運(yùn)行流程如圖7所示。在上電完成stm32外設(shè)和CC3200的初始化后，當(dāng)數(shù)據(jù)處理終端通過(guò)USB接口向數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送使能數(shù)據(jù)接收的指令后，主控MCU使能外部中斷。當(dāng)CC3200接收到數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的慣性數(shù)據(jù)幀后，向主控MCU發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，主控MCU在接收到脈沖信號(hào)，外部中斷標(biāo)志位置位，主控MCU通過(guò)SPI接口讀取CC3200接收到的慣性數(shù)據(jù)幀，然后通過(guò)USB接口將慣性數(shù)據(jù)幀發(fā)送至數(shù)據(jù)處理終端，完成一次數(shù)據(jù)處理終端與數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換。

圖7 數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖

3.4 WIFI通信的軟件設(shè)計(jì)

圖8所示是數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)上WIFI通信芯片CC3200各自的軟件流程圖。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的WIFI通信芯片被配置為STA模式，其在無(wú)線局域網(wǎng)中是一般客戶端，可以認(rèn)為是我們?nèi)粘Ｊ褂玫慕尤霟o(wú)線網(wǎng)的智能手機(jī)。數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的WIFI通信芯片被配置為AP模式，其可以認(rèn)為是日常生活中所使用的無(wú)線路由器，當(dāng)用戶識(shí)別碼(SSID，Service Set Identifier)被設(shè)置后，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)向周圍設(shè)備廣播自己的SSID。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)在掃描到數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)廣播的SSID后，向數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送連接請(qǐng)求命令，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)在接受連接請(qǐng)求后，向數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)分配IP地址，建立數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)之間的WIFI通信鏈路。

圖8 WIFI通信的軟件流程圖

數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層建立連接后，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)使用具有重傳功能的TCP通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通訊，以保證節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)通訊的正確性和完整性。如圖所示，配置數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)為TCP服務(wù)器，創(chuàng)建一個(gè)TCP套接字(Socket)，綁定IP地址、端口等信息到套接字上，開啟監(jiān)聽，等待TCP客戶端的連接。當(dāng)接收到來(lái)自TCP客戶端的連接請(qǐng)求后，接受請(qǐng)求，建立TCP連接，創(chuàng)建新的套接字用于與TCP客戶端進(jìn)行連接，循環(huán)等待TCP客戶端發(fā)送慣性數(shù)據(jù)幀，在接收到慣性數(shù)據(jù)幀后，向主控MCU發(fā)送脈沖信號(hào)。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)配置為TCP客戶端，創(chuàng)建套接字以連接到TCP服務(wù)器上，當(dāng)接收到主控MCU發(fā)送來(lái)的慣性數(shù)據(jù)幀后，通過(guò)TCP連接將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至TCP服務(wù)器。

3.5 數(shù)據(jù)處理終端的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理終端的軟件程序由數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊三部分組成，數(shù)據(jù)處理終端通過(guò)USB接口接收數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的慣性數(shù)據(jù)幀，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和處理，顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)的慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，同時(shí)將各節(jié)點(diǎn)的慣性數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到本地文件中，以備后續(xù)進(jìn)一步的處理和使用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于上述設(shè)計(jì)，本文完成了慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的硬件與軟件調(diào)試工作，并進(jìn)行了慣性數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。將慣性傳感器節(jié)點(diǎn)附著在身體的腳踝、手腕和手臂等各個(gè)部位，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)以100Hz的采樣頻率采集實(shí)驗(yàn)者在慢走、快走和跑步等多種動(dòng)作下各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量的慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)WIFI發(fā)送到數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理終端通過(guò)USB讀取數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)，保存到本地存儲(chǔ)中。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地采集人體各個(gè)部位的慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，圖9所示為數(shù)據(jù)處理終端保存在本地的節(jié)點(diǎn)慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)文件。

圖9 慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)保存文件

圖10 慢走和跑步下手腕和腳踝加速度信號(hào)

使用存儲(chǔ)的慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)繪制了人體的手腕和腳踝在慢走和跑步兩種動(dòng)作下加速度的變化曲線，如圖10所示。由圖可以看出，在跑步動(dòng)作下，人體腳踝部位的加速度信號(hào)的變化頻率比慢走動(dòng)作要快，且跑步動(dòng)作加速度信號(hào)的峰值超出慢走動(dòng)作10m/s2左右，這是由于跑步動(dòng)作下人體的步頻比慢走要快，且腳部對(duì)地面的沖擊比慢走動(dòng)作要大。相反，在跑步動(dòng)作下手腕部位的加速度信號(hào)比慢走動(dòng)作下要規(guī)律地多，且跑步動(dòng)作下的加速度峰值為60m/s2左右，慢走動(dòng)作下只有20m/s2左右，這是由于人在跑步動(dòng)作時(shí)手部要進(jìn)行大幅度且有規(guī)律的擺動(dòng)，從而保持人體平衡。而慢走狀態(tài)對(duì)人的手部運(yùn)動(dòng)沒有要求，手部的運(yùn)動(dòng)會(huì)更加的自由和隨意。由以上可知，所設(shè)計(jì)的慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集的不同動(dòng)作下人體各關(guān)節(jié)部位的運(yùn)動(dòng)慣性數(shù)據(jù)的變化特征符合人體運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于MPU9150九軸慣性傳感器、CC3200無(wú)線通信芯片等設(shè)備，設(shè)計(jì)了一款基于慣性傳感器的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。通過(guò)在人體各部位佩戴復(fù)數(shù)慣性傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集人體不同部位的運(yùn)動(dòng)加速度、角速度和磁力計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)WIFI無(wú)線通信發(fā)送至數(shù)據(jù)處理終端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本低、可靠性高，穿戴方便，能夠最大限度地減少捕捉系統(tǒng)對(duì)人體活動(dòng)的限制，具有實(shí)際應(yīng)用意義。后續(xù)將增加數(shù)據(jù)處理終端對(duì)采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步地處理和分析的功能，將其應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)、康復(fù)訓(xùn)練、體育訓(xùn)練和軍事等多個(gè)領(lǐng)域。