基于MEMS六軸傳感器的可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)在市面上的可穿戴設(shè)備越來(lái)越多，對(duì)于可穿戴設(shè)備，尤其是手腕式的可穿戴設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。對(duì)于可穿戴設(shè)備的研究核心在于可穿戴傳感器的研究?？纱┐髟O(shè)備的功能日趨強(qiáng)大與其內(nèi)部使用的可穿戴傳感器數(shù)量的增加和性能提高息息相關(guān)。本文基于MEMS 六軸傳感器技術(shù)，目的在于設(shè)計(jì)出一套可以用于運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)的可穿戴設(shè)備。利用現(xiàn)有的藍(lán)牙4.0 技術(shù)，將六軸傳感器收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)，通過(guò)MATLAB 等仿真軟件以及合理的數(shù)據(jù)處理，得到最接近現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

　　可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是可穿戴計(jì)算在體育領(lǐng)域的典型應(yīng)用，可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)旨在不妨礙用戶運(yùn)動(dòng)的前提下，為用戶提供連續(xù)、準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在該研究領(lǐng)域做了大量的工作，研制出許多相關(guān)的設(shè)備和應(yīng)用。然而這些設(shè)備或者應(yīng)用不是體育專家，并不能真正根據(jù)這些信息給出準(zhǔn)確的建議，只能根據(jù)這些信息給出大致運(yùn)動(dòng)評(píng)估。另一方面，由于缺乏大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理能力、多維度的數(shù)據(jù)分析能力，以及深入的數(shù)據(jù)挖掘能力，即便收集的數(shù)據(jù)里蘊(yùn)含大量有用信息，甚至包括可以直接用于分析運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)處理挖掘能力問(wèn)題，也會(huì)被海量數(shù)據(jù)淹沒(méi)。

　　鑒于此，文中提出了一種新的可穿戴系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于MEMS 六軸傳感器，通過(guò)采集物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的以六軸傳感器為校準(zhǔn)點(diǎn)的三軸加速度和三軸角速度，通過(guò)藍(lán)牙4.0無(wú)線傳輸?shù)脚鋫淞怂{(lán)牙USBdongle 的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和軌跡模擬。

　　1 可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本原理

　　本文中的可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立于仿真運(yùn)動(dòng)軌跡的慣性技術(shù)的基礎(chǔ)上，主要通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)主要采用了倆種運(yùn)動(dòng)傳感器：三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器。加速度傳感器用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的加速度，作為計(jì)算速度和位移的原始數(shù)據(jù)。陀螺儀用來(lái)測(cè)量于東物體的角速度，以此確定三維空間中運(yùn)動(dòng)物體的加速度傳感器的參考坐標(biāo)系，有利于位移軌跡的計(jì)算。

　　1.1 加速度傳感器工作原理

　　加速度是表征物體在空間運(yùn)動(dòng)本質(zhì)的一個(gè)基本物理量，可以通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。加速度傳感器的基本原理可以由圖1 說(shuō)明，其中m 是指方塊的質(zhì)量，k 是彈簧的剛度，c 是阻尼器與儀表殼相連。

　　圖1：加速度傳感器的工作原理圖

　　傳感器基座與被測(cè)運(yùn)動(dòng)體相固聯(lián)，因而隨運(yùn)動(dòng)物體一起相對(duì)于慣性空間的某一參考點(diǎn)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于檢測(cè)質(zhì)量塊不與傳感器基座固聯(lián)，因而在慣性力作用下將與儀表機(jī)殼產(chǎn)生相對(duì)位移。檢測(cè)質(zhì)量塊感受加速度并產(chǎn)生于加速度成比例的慣性力，從而使彈簧產(chǎn)生與質(zhì)量塊相對(duì)位移相等的伸縮變形，彈簧變形又產(chǎn)生與變形量成比例的反作用力。當(dāng)慣性力與彈簧反作用力相平衡時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量塊相對(duì)于基座的位移與加速度成正比，故可通過(guò)該位移或慣性力來(lái)測(cè)量加速度。

　　根據(jù)胡克定律，公式如下：

　　Δx=x0-x （1）

　　F=kΔx=ma （2）

　　Δx 是檢測(cè)質(zhì)量塊的相對(duì)位移。由上式可知，檢測(cè)質(zhì)量塊的相對(duì)位移量Δx 與加速度a成正比。

　　1.2 陀螺儀工作原理

　　陀螺儀（gyroscope） 的原理就是一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指方向在不受外力是不會(huì)改變的。就像一個(gè)陀螺在高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候是不會(huì)倒下。但是陀螺儀工作的實(shí)收是必須要給它一個(gè)力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，旋轉(zhuǎn)速率一般要達(dá)到幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)，這樣就能工作很長(zhǎng)時(shí)間。采用多種方法讀取軸的信息，并將信號(hào)傳給控制系統(tǒng)前，進(jìn)而進(jìn)行分析和處理。

　　1.3 MEMS六軸傳感器工作原理

　　MEMS慣性傳感器采用集成電路的工藝，以其獨(dú)特的加工工藝區(qū)別于其他慣性傳感器。優(yōu)點(diǎn)在于可靠性高、制造成本低廉、并且壽命更長(zhǎng)。同時(shí)還具有重量輕、易集成、耗電量低、體積小、能大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。MEMS 傳感器在同一個(gè)芯片上進(jìn)行信號(hào)傳輸前可放大信號(hào)，提高信號(hào)水平，減小干擾和傳輸噪聲。特別是同一芯片上進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，更能改善信噪比。

　　MEMS 六軸傳感器是由一個(gè)三軸陀螺儀傳感器和一個(gè)三軸加速計(jì)傳感器集成在同一個(gè)芯片上，可以實(shí)時(shí)輸出陀螺儀和加速計(jì)讀取到的數(shù)據(jù)。加速計(jì)的原理和傳統(tǒng)的原理形似。三軸陀螺儀的工作原理則與傳統(tǒng)的陀螺儀原理不同，傳統(tǒng)的陀螺儀理論依據(jù)是角動(dòng)量守恒定律。不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，他的轉(zhuǎn)軸指向是不隨它原本的支架的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化的。MEMS 陀螺儀是利用科里奧式力，物體被驅(qū)動(dòng)，不停的來(lái)回做頸向運(yùn)動(dòng)，科里奧式力就不在橫向來(lái)回變化。

　　2 可穿戴硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　本硬件系統(tǒng)的主要組成是由傳感器的數(shù)據(jù)采集和藍(lán)牙射頻倆部分構(gòu)成。傳感器部分主要由六軸傳感器MPU6050 和氣壓溫度傳感器BMP180，藍(lán)牙芯片選用TI 公司的CC2541。MPU6050 和BMP180 通過(guò)I2C 總線和CC2541相連，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給藍(lán)牙芯片。藍(lán)牙芯片再通過(guò)板子上的巴倫濾波器和陶瓷天線將收集到的數(shù)據(jù)傳輸出去。詳細(xì)系統(tǒng)原理圖2。將倆部分電路集成在同一個(gè)電路板在上，制作出一套開(kāi)穿戴開(kāi)發(fā)平臺(tái)，如圖3。通過(guò)這套自行研發(fā)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以做大量軌跡實(shí)驗(yàn)，為下一步的軌跡模擬提供了實(shí)驗(yàn)環(huán)境保證。

　　圖2（a）：系統(tǒng)電路原理圖CC2541 部分

　　圖2（b）：系統(tǒng)電路原理圖傳感器部分

　　圖3：可穿戴開(kāi)發(fā)設(shè)備

　　3 運(yùn)動(dòng)軌跡仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　基于已有的可穿戴開(kāi)發(fā)平臺(tái)，本仿真系統(tǒng)通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生的加速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理之后完成對(duì)加速度積分以及后期的誤差補(bǔ)償，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的1:1 的仿真。

　　仿真系統(tǒng)主要分為三個(gè)主要部分：六軸傳感器、藍(lán)牙和上位機(jī)處理。六軸傳感器主要包括三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀，分別對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)進(jìn)行采集；藍(lán)牙主要負(fù)責(zé)接收六軸傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙信號(hào)輸出給上位計(jì)算機(jī)；上位機(jī)處理主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的功能。

　　仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

　　圖4：仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　4 運(yùn)動(dòng)軌跡仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

　　通過(guò)藍(lán)牙芯片，限定六軸傳感器的采集速率為每秒20 組數(shù)據(jù)，一組六個(gè)值包括三個(gè)加速度值和三個(gè)角速度值，每個(gè)值包括16 個(gè)字節(jié)。將采集到的原始數(shù)據(jù)直接通過(guò)藍(lán)牙傳輸發(fā)送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，然后通過(guò)MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和軌跡仿真。如圖5，確定坐標(biāo)系。

　　圖5：傳感器的坐標(biāo)系示意圖

　　4.1 靜止?fàn)顟B(tài)

　　在完全靜止?fàn)顟B(tài)下，將可穿戴開(kāi)發(fā)平臺(tái)放置水平桌面，Z 軸方向垂直于水平桌面，與重力方向重合。理論上講，加速度值在X 軸和Y 軸輸出為0，Z 軸輸出為1g；陀螺儀的輸出應(yīng)該全部為0。但是由于隨機(jī)噪聲的存在，輸出值應(yīng)該有一定的偏差。測(cè)量30s 得到的600組數(shù)據(jù)。選擇其中的10 組如下表。示意圖如表1。

　　表1

　　4.2 勻速狀態(tài)

　　選取XYZ 三個(gè)軸中的X 軸，沿X 軸做勻速直線運(yùn)動(dòng)，采集傳感器得到的數(shù)據(jù)。將可穿戴開(kāi)發(fā)平臺(tái)沿X 軸方向勻速移動(dòng)19s，共采集到380 組數(shù)據(jù)，選其中10 組數(shù)據(jù)如表2。

　　表2

　　5 結(jié)論

　　本可穿戴開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)是基于MEMS 六軸傳感器MPU6050 的基本原理，并且結(jié)合了藍(lán)牙的傳輸技術(shù)，可以方便、快速的將運(yùn)動(dòng)采集到的數(shù)據(jù)快速的傳輸?shù)絇C 上。采集到的數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于后期可穿戴計(jì)算的研究。