基于加速度傳感器的無線人體動作測量設(shè)備

摘要：使用ADXL345三軸加速度傳感器、nRF24L01無線收發(fā)芯片及USB接口芯片CY7C68013與上位機構(gòu)建了一個人體動作信息測量設(shè)備。該設(shè)備由5組相同的動作測量模塊、1組數(shù)據(jù)接收模塊構(gòu)成。動作測量模塊置于人體四肢及軀干測量人體動作信息，數(shù)據(jù)接收模塊通過無線方式收集加速度數(shù)據(jù)，并通過USB芯片上傳給PC機，PC機計算出各部位的角度信息后繪制人體實時動作模型。通過與實際人體動作比較，該設(shè)備可以較好地反應(yīng)人體動作情況，可以應(yīng)用于多種人機交互場合。
關(guān)鍵詞：ADXL345加速度傳感器；人體動作信息；nRF24L01；CY7C68013

引言
長久以來，使用人體自然動作與計算機交互一直是人機交互技術(shù)追求的目標之一。目前主流的人機動作交互技術(shù)有2種：視頻動作識別技術(shù)和慣性器件動作識別技術(shù)。
前者以Microsoft Xbox 360的Kinect視頻感應(yīng)器為代表，依靠攝像頭采集人體動作視頻，通過識別算法進行分析，可較準確地識別人體動作，但需要強大的硬件處理能力、復(fù)雜的軟件識別算法，而且對于多人、高復(fù)雜度動作難以識別。后者的代表為任天堂的Wii mote手柄，主要依靠慣性器件反映出肢體的速度、位移及傾斜度。該技術(shù)算法簡單，識別精度較高，但需要佩戴傳感器模塊，可能給體驗者帶來不適。識別動作的復(fù)雜度與傳感器的數(shù)量、精度有關(guān)，如Wii mote局限在于僅能感知手部運動，隨著傳感器使用數(shù)量、種類的增加，精度的提高，人體各種快速、復(fù)雜的運動都可被精確識別，這是視頻識別技術(shù)所難以達到的。
本文介紹的設(shè)備是使用加速度傳感器的無線人體動作信息測量設(shè)備，在人體四肢及軀干同時佩戴5組測量設(shè)備，準確反映人體各部分動作情況，同時使用無線數(shù)據(jù)傳輸方式減少體驗者的不適感。

1 測量原理
測量模塊放置于人體四肢及軀干，以右手為例。測量模塊放置于右手肘關(guān)節(jié)外側(cè)，根據(jù)重力在加速度傳感器三軸上的分量，可以計算出傳感器坐標系與自然坐標系的夾角，進而得出傳感器所在手臂平面與自然坐標系的夾角，根據(jù)三個夾角與傳感器到肩膀的固定位置，可以計算出傳感器所在手臂部位的空間位置。傳感器坐標系與自然坐標系夾角如圖1所示。

式中Ax為傳感器x軸加速度分量，Ay為傳感器y軸加速度分量，Az為傳感器z軸加速度分量。人體軀干直立，右手微抬時傳感器所在手臂與自然坐標系的三個夾角如圖2所示。其中右手上白點代表傳感器。