穿戴式頸部動作檢測系統(tǒng)的設(shè)計

盛希寧

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213000)

隨著體感應(yīng)用與穿戴式裝置的不斷發(fā)展，目前市面上已出現(xiàn)將慣性傳感器穿戴于后頸部來達到頸部姿勢提醒及頸部體感互動功能的頸部穿戴式產(chǎn)品[1-4]，但其關(guān)鍵技術(shù)頸部動作慣性感測信號識別的相關(guān)研究至今仍較為缺乏。針對以上問題，提出一種利用慣性傳感器六軸檢測信號進行處理的即時頸部動作識別方法。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。首先，使用微控制器讀取慣性傳感器即三軸加速度傳感器及三軸陀螺儀傳感器所監(jiān)測到的頸部動作信號并進行預(yù)處理。通過藍牙模塊，此信號無線傳輸至手機端的Android應(yīng)用程序，進行頸部動作信號的采集、識別和運算。識別運算部分主要是使用動態(tài)時間校正算法來計算出頸部動作信號與建立的頸部動作信號模型之間的差距，用以度量二者之間的信號相似性，最后再通過最近鄰分類法產(chǎn)生最終的識別結(jié)果。頸部動作信號模型是由使用者在系統(tǒng)初始化階段將本研究所定義的18個頸部動作幀均進行一次建立的。

設(shè)計的穿戴式裝置系統(tǒng)硬件測試實物如圖2所示。GY-80模塊中的三軸加速度傳感器ADXL345和三軸陀螺儀傳感器L3G4200D用于慣性信號檢測，通過杜邦線將嵌入式開發(fā)板DFRduino Fio與六軸慣性傳感器模塊GY-80連接，二者間共有VCC、GND、SCL、SDA四條線，接線如圖3所示。微控制器DFRduino Fio使用輪詢的方式讀取來自傳感器模塊GY-80的六軸(三軸加速度和三軸陀螺儀)信號后先進行信號的前處理，再通過UART串口將已處理的信號發(fā)送，傳輸速率設(shè)定為57 600 bps。由于GY-80傳感器模塊檢測的是三軸加速度信號和三軸陀螺儀角速度信號，因此各個軸的檢測值均有正、負(fù)方向性。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)硬件測試實物

圖3 DFRduino Fio與GY-80模塊引腳接線

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本研究提出的系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖4所示。在系統(tǒng)初始化階段，使用者需要創(chuàng)建本文所定義的各種頸部動作作為系統(tǒng)的初始化輸入，以建立頸部動作信號模型，隨后進入即時頸部動作識別階段。無論是系統(tǒng)初始化階段還是即時識別階段，系統(tǒng)均會對傳感器的輸出信號進行預(yù)處理，完成采集頸部動作信號的各個步驟。

本文將較為常見的18種頸部動作進行了基本定義，以中間位置姿態(tài)作為各種頸部動作進行前進或后行的初始狀態(tài)，各種動作種類定義名稱和說明見表1。其中，1～6號動作屬于連續(xù)的來回動作，而7～18號動作屬于單獨的來回動作。本文中，頸部動作完成之后若進入靜止?fàn)顟B(tài)，則被視為一個完整的頸部動作。本文對靜止?fàn)顟B(tài)的定義為：頸部維持不動的時間大于或等于自頸部動作結(jié)束直至得出識別結(jié)果的這一段時間，該段時間主要包含了信號采集機制中的停止采集偵測時間以及頸部動作信號識別運算所消耗的時間。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

本文定義的連續(xù)動作信號是指頸部動作所對應(yīng)傳感器輸出的信號波形。其中，AX、AY、AZ方向上為三軸加速度信號，GX、GY、GZ方向上為三軸陀螺儀信號。穿戴式裝置置于人體頸部的六軸感應(yīng)方向標(biāo)示如圖5所示。

若頸部動作信號波形的雜波過多，則會導(dǎo)致后續(xù)難以進行頸部動作信號的捕捉機制設(shè)計，并且可能影響各種頸部動作信號的波形特征，進而導(dǎo)致頸部動作識別運算的準(zhǔn)確度下降[5-8]。因此，本文選用離散型一階RC低通濾波器算法來進行雜波的濾除。

表1 動作種類定義名稱及說明

圖5 六軸感應(yīng)方向標(biāo)示

3 系統(tǒng)傳感器模擬測試

六種連續(xù)去回動作加速度傳感器輸出信號如圖6所示。圖6中的橫軸代表來自DFRduino Fio開發(fā)板的微控制器內(nèi)部UART接口輸出的每個傳感器信號的序號，縱軸代表加速度傳感器的輸出值。

六種連續(xù)去回動作陀螺儀傳感器輸出信號如圖7所示。由圖7可觀察到文中定義的六種連續(xù)去回頸部動作所對應(yīng)的三軸陀螺儀傳感器輸出信號GX、GY、GZ波形。由于其測量的物理量為角速度，故可看出GX、GY、GZ 信號在未有動作發(fā)生時皆相當(dāng)接近0，信號僅在有動作時才會產(chǎn)生變化。本文對 L3G4200D三軸陀螺儀傳感器模塊的測量范圍設(shè)定為±250 dps，由測量數(shù)據(jù)可知 L3G4200D模塊在此情況下的每單位輸出值代表8.75 mdps的角速度物理量，故其測量信號較大時，其輸出值的范圍將達到上萬。

圖6 六種連續(xù)去回動作加速度傳感器輸出信號

在系統(tǒng)進行實測時，通過計算使用者在即時識別階段所進行的頸部動作信號以及在系統(tǒng)初始化階段所建立頸部動作信號模型之間的相似性來進行頸部動作種類的識別。在信號相似性算法部分，較簡單的方式為直接按照兩個信號順序進行信號點對點的歐基里德距離計算。所有信號點與點之間的歐基里德距離的總和距離值越小，則代表兩信號的差異越小，而相似性越高，故可將該距離作為信號相似性的度量值。

圖7 六種連續(xù)去回動作陀螺儀傳感器輸出信號

4 結(jié)束語

本文信號前處理雜波濾波機制主要是通過目測觀察頸部動作信號波形的平滑程度來選擇濾波參數(shù)，未來可針對參數(shù)值對頸部動作正確辨識率的影響進行研究，以找出更佳的參數(shù)值。由于加速度傳感器與陀螺儀傳感器所感應(yīng)的物理量不同，本文僅將此兩種傳感器的輸出信號調(diào)整至相近的基本位準(zhǔn)與振幅范圍，未來可進一步研究如何才能更有效地融合不同種類的傳感器信號，以提升系統(tǒng)的運算效能及正確辨識率。