智能人體運(yùn)動信息采集服

智能人體運(yùn)動信息采集服

簡介：

以衣服的形式建設(shè)一套智能化，低成本，低功耗，舒適便攜的人體運(yùn)動信息采集系統(tǒng)。在全身布置16個傳感器組節(jié)點(diǎn)（加速度計(jì)，陀螺儀，磁力計(jì)）采集人體運(yùn)動數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)收集處理，利用藍(lán)牙串口無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)處理。上位機(jī)使用C#編寫運(yùn)動捕捉算法，計(jì)算運(yùn)動姿態(tài)，使用WPF繪制人體模型并實(shí)時顯示。系統(tǒng)能實(shí)時顯示人體運(yùn)動狀態(tài)，并且附帶“太極教練”應(yīng)用程序。

詳細(xì)介紹：

第一章 設(shè)計(jì)背景 1.1 體育普及的剛性需求 聯(lián)合國千年發(fā)展目標(biāo)之六是與疾病作斗爭。世界衛(wèi)生組織將機(jī)體無器質(zhì)性病變，但是有一些功能改變的狀態(tài)稱為“第三狀態(tài)”或“亞健康狀態(tài)”。國內(nèi)外的研究表明，亞健康約占人群總數(shù)的70%左右。另外，不運(yùn)動已成為全世界引起死亡或殘疾的前十項(xiàng)原因之一。面對這些問題，一個非常好的解決辦法便是增強(qiáng)體育鍛煉。體育鍛煉還有助于人與人之間的交流，增進(jìn)彼此的感情，減輕人的心理壓力。因此，社會對于體育運(yùn)動有著強(qiáng)烈的剛性需求。 與此同時，隨著生產(chǎn)力的進(jìn)一步發(fā)展和社會生活的進(jìn)一步豐富，越來越多的人有了體育運(yùn)動的愛好，例如太極拳、跆拳道、瑜伽等。而當(dāng)前社會的教練資源，平均的人力成本應(yīng)該在每小時20元左右，教練的水平也參差不齊。無論是數(shù)量還是質(zhì)量，都是難以滿足需求的。 而運(yùn)動捕獲系統(tǒng)有解決這個問題的可能性，通過輕量級動捕設(shè)備與嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合，可以開發(fā)出一套能夠教授用戶體育運(yùn)動的系統(tǒng)，這種方法不但成本極低，效果也能做到十分出色。 1.2 高危作業(yè)人員安全 美國的“9.11”恐怖襲擊事件造成了343名消防隊(duì)員犧牲。而中國的煤礦中，90%以上的安全事故是由人為因素引起的。因此，能夠?qū)崟r監(jiān)控高危作業(yè)人員的工作過程并對他們的行動進(jìn)行引導(dǎo)能夠在很大程度上保障他們的生命安全。而動捕系統(tǒng)與嵌入式設(shè)備的結(jié)合無疑是實(shí)現(xiàn)這一想法的絕佳途徑。 第二章 系統(tǒng)功能與系統(tǒng)指標(biāo) 2.1 要實(shí)現(xiàn)的功能 本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的，就是一套通過運(yùn)動捕獲技術(shù)來教授用戶體育運(yùn)動的設(shè)備。在用戶進(jìn)行體育運(yùn)動學(xué)習(xí)時，通過解算傳感器群數(shù)據(jù)得到人體運(yùn)動姿態(tài)。將捕獲到的人體姿態(tài)與理想的運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行比對，給用戶提出一些練習(xí)的建議，從而實(shí)現(xiàn)了體育運(yùn)動的教練功能。 2.2 設(shè)計(jì)的完成指標(biāo) 取太極拳作為實(shí)驗(yàn)對象，系統(tǒng)要能引導(dǎo)用戶完成簡單太極拳動作的學(xué)習(xí)。教學(xué)完畢后，用戶須使用較為規(guī)范的動作，自行完成整套拳術(shù)的表演。 2.3 產(chǎn)品效果 如果對“人體運(yùn)動行為感知平臺”進(jìn)行進(jìn)一步的產(chǎn)品化，作為一種全新的產(chǎn)品，它將有可能憑借著自己低成本、高精度、對環(huán)境要求低的優(yōu)勢，在社會上普及開來。“人體運(yùn)動行為感知平臺”的普及將能在很大程度上促進(jìn)全民健身的發(fā)展，更多的人將能得到高質(zhì)量的體育課程教授。人民的身體素質(zhì)將會因此而提升，這對國家和個人的發(fā)展都是十分有益的。我們認(rèn)為，大學(xué)生的才智，更應(yīng)該著眼與造福社會，改變社會的工作。 第三章 實(shí)現(xiàn)原理 3.1 整體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)主要分為六層結(jié)構(gòu)，分別為傳感器載具層、傳感器群層、微控制器層、無線通信層、上位機(jī)底層處理層以及應(yīng)用程序?qū)印?/span> （1）傳感器載具層 傳感器載具層主要負(fù)責(zé)搭載傳感器模塊。傳感器載具層，可以由綁帶和衣服組成，綁帶和衣服具有傳感器安裝的位置。 （2）傳感器群層 傳感器群主要負(fù)責(zé)采集源數(shù)據(jù)，提供給解算程序，整個人體需要安裝一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)以全面采集人體動作信息。每個傳感器節(jié)點(diǎn)集成了加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)三種數(shù)字傳感器芯片，如此設(shè)計(jì)可以減少安裝復(fù)雜度，便于系統(tǒng)集成。 （3）微控制器層 微控制器的工作較為簡單，主要通過與傳感器之間的通信鏈路快速收集各個傳感器采集到的數(shù)據(jù)，按照約定的協(xié)議封裝傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，通過通信設(shè)備發(fā)送給上位機(jī)。 （4）通信設(shè)備層 通信設(shè)備層主要指下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信設(shè)備。為了用戶的使用方便，需要使用短距無線通信技術(shù)。同時，這種無線通信技術(shù)需要具備速率快，功耗低，丟包少，錯誤率極低，通信保密性強(qiáng)的特性。 （5）上位機(jī)處理程序?qū)?/span> 上位機(jī)處理程序集成了運(yùn)動捕獲算法，該程序?qū)⑹盏降膫鞲衅鲾?shù)據(jù)包拆封、解碼，并利用運(yùn)動捕獲算法解算出人體姿態(tài)，最后將人體姿態(tài)數(shù)據(jù)推送給應(yīng)用程序。 （6）應(yīng)用程序?qū)?/span> 主要對捕獲到的動作進(jìn)行打分，并且提出適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)意見。打分過程中需要使用一些序列比對以及統(tǒng)計(jì)學(xué)的算法。同時，應(yīng)用程序需要有良好的人機(jī)交互界面，以確保舒適便捷的用戶體驗(yàn)。 3.2 硬件結(jié)構(gòu) 3.2.1 傳感器 傳感器參數(shù) 數(shù)字陀螺儀：制造商：ST 型號：L3G4200D; 數(shù)字加速計(jì)：制造商：Freescale 型號：MMA8451; 數(shù)字磁力計(jì)：制造商：Freescale 型號：MAG3110 整套設(shè)備一共包含16個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)包含三種傳感器。節(jié)點(diǎn)的制作統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，方便更換，因?yàn)榻?jīng)過特殊的布線設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)可以通過排線進(jìn)行級聯(lián)。 3.2.2 I2C總線 I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。 3.2.3單片機(jī) 我們選用了飛思卡爾公司的MK60DX256ZVLQ10單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集與發(fā)送。 這款單片機(jī)有眾多的管腳，很高的計(jì)算速度，集成了豐富的外圍電路并且有超低的功耗。因此我們認(rèn)為：在試驗(yàn)階段，使用這款單片機(jī)十分適合。 3.2.4 藍(lán)牙串口 藍(lán)牙2.0 藍(lán)牙（Bluetooth）是一種無線個人局域網(wǎng)（Wireless PAN），最初由愛立信創(chuàng)制，后來由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟訂定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙2.0是1.2的改良版本，傳輸率約在1.8M/s~2.1M/s范圍內(nèi)。有雙工的工作方式，即同時進(jìn)行語音通訊，以及傳輸檔案或圖片。 藍(lán)牙串口模塊 藍(lán)牙協(xié)議SPP協(xié)議（藍(lán)牙串行端口），能在藍(lán)牙設(shè)備之間創(chuàng)建串口數(shù)據(jù)傳輸。這是一種透明的傳輸方式，相當(dāng)于在電腦之間連接了串口線，然而卻不需要使用電纜，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際上的無線通信。 在本系統(tǒng)中，基于縮短開發(fā)周期的考慮，我們使用了基于藍(lán)牙2.0協(xié)議的藍(lán)牙串口模塊，大大縮短了研究通信協(xié)議的時間，同時實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的無線串口傳輸。這種方式的缺陷在于通信速率較低，我們因此而不得不使用兩個藍(lán)牙串口模塊，并且數(shù)據(jù)的傳輸速率也并未達(dá)到理想。日后的開發(fā)中，可以進(jìn)一步升級通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸以大幅提高系統(tǒng)的整體性能。 3.2.5 硬件的整體實(shí)現(xiàn) 我們將三種傳感器焊接在單節(jié)點(diǎn)的電路板上，通過排線將節(jié)點(diǎn)連接起來。排線的另一端被接至集線器，集線器的一端接至單片機(jī)，單片機(jī)通過這些線路對傳感器進(jìn)行供電，與傳感器通信。單片機(jī)的串口與藍(lán)牙串口的一端相連，藍(lán)牙串口的另一端接至嵌入式開發(fā)板。 3.3 算法結(jié)構(gòu) 3.3.1 單節(jié)點(diǎn)的姿態(tài)解算 3.3.1.1 相關(guān)約定 （1）本文使用的坐標(biāo)系全部為右手系。 （2）地理坐標(biāo)系使用國際上較為通用的NED坐標(biāo)系。原點(diǎn)位于導(dǎo)航系統(tǒng)所處的位置P點(diǎn)，坐標(biāo)軸指向北、東和當(dāng)?shù)卮咕€方向（向下）。 3.3.1.2 姿態(tài)的表示 載體相對于參考坐標(biāo)系的姿態(tài)可以用不同的數(shù)學(xué)表達(dá)式來定義，主要有歐拉角、方向余弦、四元數(shù)三種方法，本系統(tǒng)中使用方向余弦矩陣與四元數(shù)。 姿態(tài)表示方法的相互轉(zhuǎn)換：幾種姿態(tài)表示方法都有多種成熟的轉(zhuǎn)換算法，精度與復(fù)雜度各有差異。選用時，我們對運(yùn)算精度和復(fù)雜度進(jìn)行了平衡后得到若干種算法，在此不進(jìn)行贅述。 3.3.1.3姿態(tài)的解算 3.3.1.3.1使用角速度積分進(jìn)行姿態(tài)解算 （1）本項(xiàng)目中的姿態(tài)解算通過陀螺儀收集到的角速度測量值通過積分的方法計(jì)算出傳感器的姿態(tài)。較為流行的姿態(tài)解算方法有方向余弦法、四元數(shù)法、旋轉(zhuǎn)矢量法，我們采用四元數(shù)法。這種方法在精度，運(yùn)算量上都有不錯的表現(xiàn)。 （2）解算以上微分方程至少有3種方法，我們采用了四階龍格庫塔法，該方法適于計(jì)算機(jī)運(yùn)算，同時有很好的精度，若想進(jìn)一步提高精度可使用六階龍格庫塔法。 3.3.1.3.2使用加速計(jì)和磁力計(jì)解算姿態(tài) 加速計(jì)和磁力計(jì)聯(lián)合解算姿態(tài)的算法至少有4種，在進(jìn)行運(yùn)算量和精度的比對之后，我們選用了綜合性能更好的FQA(Factored Quaternion Algorithm)算法，該算法的優(yōu)點(diǎn)在于：進(jìn)一步減少了磁場干擾對姿態(tài)解算的影響；在大量使用三角函數(shù)的基礎(chǔ)上并未直接求三角函數(shù)值，從而減小了運(yùn)算量，提高了解算精度。 3.3.1.3.3姿態(tài)的融合 姿態(tài)數(shù)據(jù)的融合可以使用自適應(yīng)的卡爾曼濾波（AKF），但考慮到對姿態(tài)解算的精度提高并不明顯，并且極大地提高了計(jì)算量，對硬件要求較高，因此未采用這種方法。 因?yàn)?/span>FQA算法的理想使用環(huán)境是傳感器無線性加速度并且僅受地磁場影響，所以程序中設(shè)置了高低門限，超出門限的加速計(jì)和磁力計(jì)數(shù)據(jù)將不會進(jìn)入解算環(huán)節(jié)。這意味著FQA算法僅在線性加速度和磁場干擾很小的情況下才能起作用。 我們對角速度積分和FQA算法所得到的姿態(tài)量進(jìn)行了融合。在線性加速度或磁場干擾較大的情況下，僅有角速度積分的姿態(tài)解算起作用；而在相反的情況下，給解算出的兩個姿態(tài)量設(shè)置權(quán)重并求取平均值。概略地表述，在緩慢運(yùn)動情況下，二者協(xié)同作用，在劇烈運(yùn)動情況下，僅有角速度積分起作用。這種融合方法在盡量提高捕獲精度的同時幾乎完全消除了積分漂移。 3.3.1.3.4傳感器的校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)處理 （1）陀螺儀的校準(zhǔn) 陀螺儀的校準(zhǔn)主要是去除偏置，將靜置時讀數(shù)的平均值減去即可。 （2）磁力計(jì)的校準(zhǔn) 1） 硬偏移 硬偏移主要由硬磁物質(zhì)引起，表現(xiàn)為隨機(jī)旋轉(zhuǎn)的磁力計(jì)讀數(shù)的散點(diǎn)圖為偏離原點(diǎn)的球殼。該球殼的球心點(diǎn)即為硬偏移的向量值。在本項(xiàng)目中，主要通過大量采樣計(jì)算最小殘差值求得硬偏移。篇幅所限，本文中不作進(jìn)一步說明。 2） 軟偏移 軟偏移主要由軟磁物質(zhì)引起，表現(xiàn)為隨機(jī)旋轉(zhuǎn)的磁力計(jì)讀數(shù)的散點(diǎn)圖為以原點(diǎn)為中心的橢球殼，軟偏移量用矩陣來表示，通過矩陣論的相關(guān)算法可求出軟偏移并對磁力計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。篇幅所限，本文中不作進(jìn)一步說明。 3.3.1.3.5濾波處理 為了減小噪聲引起的抖動，加速計(jì)和磁力計(jì)的輸出端分別加入了低通數(shù)字濾波器。 3.3.2全身姿態(tài)的解算 3.3.2.1仿射變換矩陣 本系統(tǒng)主要使用仿射變換矩陣表示和解算人體姿態(tài)。我們將人體骨骼之間的關(guān)系看做一系列剛體和相應(yīng)的運(yùn)動副組合而成的空間開式鏈。研究骨骼運(yùn)動關(guān)系的第一步，自然是描述這些骨骼之間的相對運(yùn)動關(guān)系。描述剛體的位置和姿態(tài)（簡稱位姿）的方法是這樣的，首先規(guī)定一個坐標(biāo)系，相對于該坐標(biāo)系，點(diǎn)的位置可以用3維列向量表示；剛體的方位可以用本系統(tǒng)描述骨骼的位置和姿態(tài)（簡稱位姿）的方法是使用4×4的仿射變換矩陣。 3.3.2.2人體運(yùn)動模型的建立 3.3.2.2.1骨骼與關(guān)節(jié)的建模 人體的骨骼與關(guān)節(jié)： 參照目前國際較為通用的標(biāo)準(zhǔn)（FBX等），我們共定義了19段肢節(jié)，固結(jié)在每段肢節(jié)上的坐標(biāo)系可以根據(jù)實(shí)際情況自行定義。 3.3.2.2.2傳感器節(jié)點(diǎn)的布設(shè) 經(jīng)過研究設(shè)計(jì)，我們確定了布設(shè)傳感器的16個位點(diǎn)。 3.3.2.2.3肢節(jié)坐標(biāo)系的映射關(guān)系 將單個傳感器的姿態(tài)與肢節(jié)的長度結(jié)合起來，使用位姿變換矩陣即可計(jì)算出人的整體姿態(tài)。計(jì)算時遵循如圖所示的映射關(guān)系，已知兩肢節(jié)的絕對姿態(tài)和前級肢節(jié)的絕對位置，就可計(jì)算出后級肢節(jié)的絕對位置。設(shè)上一級肢節(jié)為A，下一級肢節(jié)為B，計(jì)算步驟如下： （1）A和B的絕對姿態(tài)已知，計(jì)算出B相對于A的姿態(tài)。 （2）利用上一步結(jié)果和B的長度，計(jì)算B的端點(diǎn)相對于A的端點(diǎn)的位置。 （3）A端點(diǎn)的絕對位姿已知，利用一二兩步結(jié)果計(jì)算出B端點(diǎn)的絕對位置。 （4）B的絕對姿態(tài)和A端點(diǎn)的絕對位置結(jié)合后得到B根點(diǎn)的絕對位姿。 （5）B根點(diǎn)的絕對位姿將被幅值給3D模型用以驅(qū)動B肢節(jié) 3.4 程序結(jié)構(gòu) 3.4.1單片機(jī)程序 由傳感器模塊組由陀螺儀、加速度計(jì)以及磁傳感模塊組成，共16個傳感器組負(fù)責(zé)捕獲全身數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器捕捉到有效數(shù)據(jù)之后，其中斷管腳將產(chǎn)生高電平。單片機(jī)對16組共48個傳感器的中斷管腳實(shí)現(xiàn)輪詢，當(dāng)其為高電平時通過I2C總線讀取該傳感器的數(shù)據(jù)。此種工作方式保證了以不同頻率向陀螺儀與加速度計(jì)、磁傳感收集數(shù)據(jù)。經(jīng)測算，陀螺儀工作在70HZ左右，而磁傳感與加速度計(jì)工作在10HZ。而對于陀螺儀，由于算法要求其必須一同發(fā)送16個節(jié)點(diǎn)的全部數(shù)據(jù)，故若在讀取值改節(jié)點(diǎn)時沒有產(chǎn)生高電平或本次沒有讀取成功，則將以上一次的數(shù)據(jù)加以替代。在每一個傳感器的數(shù)據(jù)讀取完成后，將會將數(shù)據(jù)由藍(lán)牙傳送至上位機(jī)。 3.4.2數(shù)據(jù)處理程序 3.4.2.1程序自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 因?yàn)樽兞繑?shù)目過于繁多，所以在此不說明具體變量。 3.4.2.2數(shù)據(jù)處理程序流程 傳感器數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給數(shù)據(jù)處理程序后，處理程序首先會除去傳感器數(shù)據(jù)的偏置，并且將其轉(zhuǎn)換成具有實(shí)際計(jì)算意義的浮點(diǎn)數(shù)。 陀螺儀數(shù)據(jù)被送至積分程序，通過四元數(shù)的四階龍格庫塔法解算出陀螺儀姿態(tài)。磁力計(jì)數(shù)據(jù)和加速計(jì)數(shù)據(jù)被送入FQA解算程序解算出姿態(tài)，當(dāng)外界干擾較大時，此計(jì)算過程將不會執(zhí)行。陀螺儀解算出的姿態(tài)和磁力計(jì)與加速計(jì)解算出的姿態(tài)以一定權(quán)重進(jìn)行融合，以消除陀螺儀的積分漂移。至此，單節(jié)點(diǎn)的姿態(tài)計(jì)算完成。解算出的姿態(tài)將會被除去傳感器的安裝角，以便于全身肢節(jié)的姿態(tài)解算。 最后得到的單節(jié)點(diǎn)姿態(tài)就可以被用來計(jì)算全身姿態(tài)了。以人體模型的骶骨部分為基點(diǎn)，利用肢節(jié)的長度數(shù)據(jù)，按照層次結(jié)構(gòu)化的變換模型規(guī)則進(jìn)行仿射變換，這樣就得到了這個人體的姿態(tài)。 3.4.3動作比對程序 動作比對程序用于將用戶的練習(xí)數(shù)據(jù)同標(biāo)準(zhǔn)的動作數(shù)據(jù)相比對，并提出問題所在和改進(jìn)意見。程序現(xiàn)在所能實(shí)現(xiàn)的功能是將用戶各肢節(jié)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)收集過來，與標(biāo)準(zhǔn)情況下的數(shù)據(jù)做方差，方差越大證明用戶的動作越不標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)將方差過大的肢節(jié)部分挑出，提示給用戶。日后的程序還可以加入較為智能的模式識別算法，告訴用戶自己的動作到底失誤在什么地方。 3.4.4人機(jī)交互程序 在應(yīng)用程序的主菜單中，用戶可以通過觸屏按鈕選擇進(jìn)入共5種模式：同步教練整套模式、同步教練分步模式、異步教練分步模式、影子模式以及唯我獨(dú)尊模式。 （1） 同步教練整套模式：在該模式中，整塊屏幕會被分為左右兩塊。左邊為教練的3D模型，右邊為用戶的3D模型。隨著音樂響起，教練會不間斷打一整套的太極拳，而玩家需要跟上教練的節(jié)奏。結(jié)束后，系統(tǒng)會根據(jù)玩家的表現(xiàn)進(jìn)行相應(yīng)打分，并給出等級優(yōu)劣。 （2） 同步教練分步模式：在該模式中，屏幕同樣會被分為兩塊。隨著音樂響起，左邊的教練會打單獨(dú)打一個動作，然后系統(tǒng)會指示玩家和教練一同再打一次，并在整套動作結(jié)束后，對玩家進(jìn)行評價。 （3） 異步教練分步模式：在該模式中，屏幕也是分為兩塊的。但與同步教練分步模式不同的是，教練打完后玩家開始打時，左邊的教練是不動的。 （4） 影子模式：這個模式比較奇特，屏幕是不分塊的。在沒有音樂的情況下，教練的3D模型和玩家是重合的，教練會隨機(jī)打出不同的動作，用戶必須立即跟上教練的動作，使得兩個3D模型盡量“形影不離”。 （5） 唯我獨(dú)尊模式：這是檢測玩家整體水平的模式，該模式屏幕也是部分塊的。屏幕中只有玩家的3D模型，隨著音樂響起，玩家需要完全憑自己的能力打完整套太極拳動作。 系統(tǒng)ui特色：本項(xiàng)目應(yīng)用程序ui由wpf用戶界面框架開發(fā)，充分利用了wpf用戶界面炫麗多彩，美化特性極其豐富的特點(diǎn)。而且wpf用戶界面框架支持3D圖形技術(shù)開發(fā)，這也為我們的太極拳應(yīng)用程序的開發(fā)帶來了極大便利。 第四章 系統(tǒng)測試方案 4.1實(shí)驗(yàn)與性能評估 4.1.1實(shí)驗(yàn)平臺 （1）三種傳感器分別為：加速計(jì)MMA8451、陀螺儀L3G4200D、磁力計(jì)MAG3110，均為2011年推出的消費(fèi)級數(shù)字傳感器，分別由Freescale和ST生產(chǎn)。每個節(jié)點(diǎn)有三只傳感器，每種傳感器各有一只，它們被集成在作者設(shè)計(jì)制作的電路板上，電路板的尺寸等可以進(jìn)一步優(yōu)化。主芯片使用MK60DX256ZVLQ10，內(nèi)核是ARM架構(gòu)的Cortex-M4。無線通信使用CC2540低功耗藍(lán)牙芯片。 （2）我們使用WPF和C#為系統(tǒng)編寫了調(diào)試界面，該系統(tǒng)可以分別進(jìn)行單節(jié)點(diǎn)和全身系統(tǒng)的調(diào)試。 （3）動捕數(shù)據(jù)可以傳送給由Autodesk開發(fā)的MotionBuilder軟件，用來驅(qū)動人物模型，進(jìn)而可以將其錄制成3D動畫并進(jìn)行相關(guān)的后期制作。 4.1.2精度評估 （1）單節(jié)點(diǎn)姿態(tài)精度評估 我們使用單擺對單節(jié)點(diǎn)姿態(tài)解算的效果進(jìn)行評估。 方法是撥動單擺，使其運(yùn)動起來，將單擺運(yùn)動過程的錄像與捕獲數(shù)據(jù)相比對，并且比對二者的擺角。 （2）肢體姿態(tài)精度評估 為避免傳感器的安裝不當(dāng)對性能的影響，我們直接使用兩段鋁合金桿鉚接，模擬人的肢體的單軸運(yùn)動，傳感器固結(jié)在鋁合金桿上。 測試方法為將鋁合金機(jī)構(gòu)的根部段固定后，先將端部段伸平，然后將端部段順時針旋轉(zhuǎn)90°，即繞與轉(zhuǎn)軸平行并向外射出的射線旋轉(zhuǎn)-90°。先低速旋轉(zhuǎn)一次，然后高速旋轉(zhuǎn)一次，觀察并對比攝像機(jī)的記錄結(jié)果和傳感器的捕獲結(jié)果。 4.1.3整體表現(xiàn) 在系統(tǒng)的整體測試中，系統(tǒng)可以較為真實(shí)地還原人體的運(yùn)動，在調(diào)試環(huán)境不合適的時候會出現(xiàn)一些偏差。 4.2誤差分析 （1）主要誤差來自于傳感器安裝得不夠穩(wěn)定，未來需要優(yōu)化傳感器的佩戴裝置。 （2）磁場受到干擾后的畸變對運(yùn)動的還原有一定的干擾作用。 （3）人體的骨骼構(gòu)造使得其運(yùn)動不能完全抽象為定點(diǎn)剛體運(yùn)動，因此存在細(xì)微偏差。 第五章 不足和前景展望 5.1系統(tǒng)缺點(diǎn)分析 未充分考慮自由度： 目前我們的算法雖然能正確的模擬人體的動作，但是在計(jì)算模擬的時候，并未考慮人體關(guān)節(jié)的自由度問題。人體各個關(guān)節(jié)的部位自由度是不同的，例如肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)只有一個，而肩關(guān)節(jié)卻有三個自由度。這樣一個問題確實(shí)對我們實(shí)際的模擬產(chǎn)生了影響，自由度限制的缺失導(dǎo)致3D模型的有些運(yùn)動不符合實(shí)際的關(guān)節(jié)運(yùn)動。 磁力計(jì)易受干擾： 磁力計(jì)是一種基于地磁場來進(jìn)行測量的傳感器，對測量環(huán)境周圍的磁場反應(yīng)敏感，如果有強(qiáng)磁場靠近磁力計(jì)，磁力計(jì)的硬偏移值甚至?xí)桓淖儭?/span> 舒適性有待提升： 由于使用綁帶的形式固定傳感器于人體上，穿戴過程麻煩，穿戴后對人體的運(yùn)動也有阻滯。而且單片機(jī)的體積較大重量較重，附在使用者身上，時間一長也是一個不小的負(fù)擔(dān)。在經(jīng)過硬件的重新優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，這種缺陷將能得到明顯的改善。而傳感器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將能給系統(tǒng)的舒適性帶來本質(zhì)性的提升。 比對算法不夠智能： 我們只使用了最簡單的序列比對算法，大致演示出了系統(tǒng)的功能。而若想使系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大，必須加入更多的算法，給用戶提出的建議越具體，設(shè)備的價值就越明顯。 人機(jī)交互不夠友好 由于時間的倉促，不論在硬件上還是軟件上，我們的人機(jī)交互都顯得不夠友好，給用戶的使用帶來很大不便。今后，整套系統(tǒng)的人機(jī)交互水平還需要進(jìn)一步提高。 5.2 項(xiàng)目前景 5.2.1分布式節(jié)點(diǎn)的自動辨識 目前的“人體運(yùn)動行為感知平臺”是基于串行數(shù)據(jù)總線形式進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換設(shè)備，這給設(shè)備的安裝以及用戶的穿戴帶來了很大的不便，我們設(shè)想引入基于Zigbee協(xié)議的低功耗短途傳輸芯片進(jìn)行芯片間的自組網(wǎng)傳輸，這樣可以很好地避免設(shè)備安裝的麻煩。取消掉設(shè)備的總線之后能使設(shè)備器件大大地得到簡化。在此結(jié)構(gòu)下，計(jì)算機(jī)將能通過每個節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的特征確定節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)編號和位置，實(shí)現(xiàn)了全分布式的安裝配置，互換性和可擴(kuò)展性大大增強(qiáng)。 5.2.2與服裝的結(jié)合 目前的“人體運(yùn)動行為感知平臺”系統(tǒng)是以綁帶的形式在人身體上固定傳感器，以達(dá)到提供采集數(shù)據(jù)的環(huán)境的作用，但這樣的形式，從美觀上講太過累贅。我們設(shè)想引入柔性PCB技術(shù)印制我們的芯片電路，以期達(dá)到與服裝結(jié)合的效果。在具體的表現(xiàn)形式上，我們有兩種設(shè)想：其一，將印制好的柔性PCB芯片的一面與魔術(shù)貼一類的抓附設(shè)備相結(jié)合，從而可以附在穿戴者的衣物上，而不需要額外的安裝手段；其二，將印制好的柔性PCB芯片縫置在特定的緊身衣物上，例如保暖內(nèi)衣褲，這樣設(shè)備可以供在特殊工作環(huán)境下工作的人群如煤礦工人使用。并且，隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器的尺寸將進(jìn)一步減小。屆時，若干個節(jié)點(diǎn)將集成在同一段肢節(jié)上，設(shè)備的辨識精度和舒適度將能得到大幅度的提升。 5.2.3傳輸距離的提升 目前的“人體運(yùn)動行為感知平臺”系統(tǒng)是使用藍(lán)牙串口來達(dá)到上位機(jī)與單片機(jī)的通信交流，這極大地限制了數(shù)據(jù)的傳輸距離。我們設(shè)想利用無線Wi-Fi進(jìn)行組網(wǎng)，數(shù)據(jù)在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的傳輸。同時，數(shù)據(jù)的通量將能得到大幅度的擴(kuò)展。 5.2.4 網(wǎng)絡(luò)式個體辨識 目前的“人體運(yùn)動行為感知平臺”系統(tǒng)屬于專門配套設(shè)備。一套對應(yīng)程序能對一套設(shè)備進(jìn)行操作，設(shè)備與應(yīng)用的耦合性非常高，這點(diǎn)限制了設(shè)備的發(fā)展。我們設(shè)想改進(jìn)這種結(jié)構(gòu)，在每套設(shè)備上附加設(shè)備個體辨識，一套管理程序能夠管理網(wǎng)內(nèi)登入的多套設(shè)備，通過這種手段來降低設(shè)備與應(yīng)用程序的耦合性。同時這樣的方式也能提供設(shè)備個體之間的交互，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬社區(qū)的建立。 5.2.5 人員的安全監(jiān)控 基于我們以上提到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)建出更多的應(yīng)用場景。例如對一個團(tuán)隊(duì)的動作進(jìn)行捕獲，可以用來協(xié)調(diào)整個團(tuán)隊(duì)的工作，保障整個團(tuán)隊(duì)的安全。這種系統(tǒng)可以被應(yīng)用在礦山、消防隊(duì)等單位。人員的安全狀況和生產(chǎn)效率都能得到很大的提升。這對一個社會的幸福和穩(wěn)定也有重要的價值。

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

目的：生活中我們會發(fā)現(xiàn)自己在學(xué)習(xí)舞蹈，學(xué)習(xí)太極拳這樣的娛樂健身項(xiàng)目上力不從心，經(jīng)常會達(dá)到事倍功半的效果。我們的這套人體動作信息采集衣配合我們研發(fā)的練習(xí)系統(tǒng)就能較為輕松地解決這個問題。它會跟蹤你的每一個動作，并與標(biāo)準(zhǔn)動作進(jìn)行校對，給予你及時的提醒。另外，我們還可以利用這套系統(tǒng)來分析水平較高的對動員的動作狀態(tài)，進(jìn)行研究與分析，指導(dǎo)我們進(jìn)行科學(xué)的訓(xùn)練和比賽。此外，此套系統(tǒng)一起成本低廉的優(yōu)勢也可以應(yīng)用于游戲，電影制作，動畫制作當(dāng)中。相信它能給玩家和制作人帶來前所未有的體驗(yàn)。 基本思路：設(shè)計(jì)一套衣服的方式建設(shè)一套智能化，低成本，低功耗，舒適便攜的人體運(yùn)動信息采集系統(tǒng)。 創(chuàng)新點(diǎn)：可對人體運(yùn)動狀態(tài)精準(zhǔn)定位；可規(guī)范運(yùn)動姿態(tài)，并提供糾正預(yù)案；提出改進(jìn)算法CoCap運(yùn)動捕獲算法。 關(guān)鍵技術(shù)：捷聯(lián)慣性導(dǎo)航，人體運(yùn)動運(yùn)動捕獲。 技術(shù)指標(biāo)：陀螺儀L3G4200D加速計(jì)MMA8451磁力計(jì)MAG3110，使用I2C總線和飛思卡爾K60單片機(jī)通信，采用藍(lán)牙2.0與上位機(jī)相連，波特率115200。全身采樣頻率100Hz。

科學(xué)性、先進(jìn)性

發(fā)表CSCD檢索文章《基于MEMS傳感器群的人體運(yùn)動捕獲》。文章發(fā)表在北大中文核心期刊《傳感器與微系統(tǒng)》2012年的第九期上，已被中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報中心的CSCD數(shù)據(jù)庫收錄。 編寫了新的測控環(huán)境，設(shè)計(jì)了新的3D人體模型。新的測控環(huán)境包括幾個部分，進(jìn)行多個方面的系統(tǒng)測控。該環(huán)境可以實(shí)時記錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以方便進(jìn)行定量研究。新的人體模型仿照美術(shù)專業(yè)使用的木頭人，更加形象地代表人體。完成了16個節(jié)點(diǎn)的全身運(yùn)動捕捉。利用兩個藍(lán)牙串口進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)并制作新樣式的柔性PCB電路板全身傳感器群，最終完成全身運(yùn)動的實(shí)時捕捉。按照面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)風(fēng)格，重新優(yōu)化代碼。為姿態(tài)解算程序重新編寫類，加入繼承和封裝，并將程序代碼分類到不同文件中。 同類產(chǎn)品中有微軟kinect動作捕捉產(chǎn)品，相比于看kinect，我們產(chǎn)品專注于傳感器捕捉，不受場地空間顯示，進(jìn)度高，成本低，整套設(shè)備造價不超過人民幣1000元。

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

使用說明：安裝好人體運(yùn)動行為感知平臺，打開客戶端程序，初始化校準(zhǔn)，程序就能開始捕捉你的運(yùn)動姿態(tài)了。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：設(shè)計(jì)制作了一套可穿戴的運(yùn)動捕獲服裝，捕獲精度高，成本低廉。 適用范圍：不受強(qiáng)磁干擾的自由空間。 市場分析：目前，市場上的人體運(yùn)動采集系統(tǒng)多為基于攝像機(jī)陣列，該類產(chǎn)品昂貴、不方便、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法進(jìn)入普通家庭的生活。而基于微型傳感器的人體運(yùn)動采集系統(tǒng)，成本低，系統(tǒng)簡單可靠，制作的實(shí)物小型化，便于大眾應(yīng)用。另外，人們越來越重視健康，愿意學(xué)習(xí)跳舞、太極拳等各種休閑且強(qiáng)生健體的運(yùn)動，為了能夠擁有優(yōu)美的舞姿、強(qiáng)勁的拳法等運(yùn)動姿態(tài)，他們選擇各種練習(xí)手段，而人體運(yùn)動行為感知平臺可以給大眾帶來很多好處，如人們可以在家中練習(xí)，免去請教練的費(fèi)用等。

同類課題研究水平概述

近幾年來，在促進(jìn)影視特效和動畫制作發(fā)展的同時，運(yùn)動捕捉技術(shù)的穩(wěn)定性、操作效率、應(yīng)用彈性以及降低系統(tǒng)成本等得到了迅速提高，動捕也逐漸出現(xiàn)在大眾的視野中，更多廠商在此領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)，一些產(chǎn)品已經(jīng)取得不錯的效益。如今的運(yùn)動捕捉技術(shù)可以迅速記錄人體的動作，進(jìn)行延時分析或多次回放，通過被捕捉的信息，簡單的可以生成某一時刻人體的空間位置；復(fù)雜的則可以計(jì)算出任何面部或軀干肌肉的細(xì)微變形，然后很直觀的將人體的真實(shí)動作匹配到所設(shè)計(jì)的動作角色上去。 當(dāng)前同類研究產(chǎn)品包括以下幾個方向： 1. Kinect Kinect是微軟公司在2009年推出的一款用于延伸XBOX360產(chǎn)品生命周期的技術(shù)產(chǎn)品，技術(shù)代號是“Project Natal”。該技術(shù)依靠三維測量技術(shù)以及圖像處理技術(shù)來捕捉三維空間中人體的運(yùn)動姿態(tài)，Kinect上因此裝配了兩個縱深攝像頭與一個圖像攝像頭。 2．電阻纖維傳感器動作捕捉系統(tǒng) 電阻纖維傳感器動作捕捉系統(tǒng)是由飛利浦研究實(shí)驗(yàn)室的Jonny Farringdon 等研究員提出的系統(tǒng)概念。該系統(tǒng)的動作捕捉設(shè)備主要由兩個部分組成，一個是可穿戴姿態(tài)監(jiān)測徽章(Wearable Sensor Badge)，另一個是動作捕捉夾克(Sensor Jacket)。 3.光纖神經(jīng)傳感系統(tǒng) 光纖神經(jīng)傳感系統(tǒng)的概念由日本創(chuàng)價大學(xué)的Nishiyama等研究員于2009年提出,在這一系統(tǒng)概念的基礎(chǔ)上研究人員開發(fā)出了一套嵌入式光纖神經(jīng)傳感器動作捕捉手套(Wearable Sensing Glove With Embedded Hetero-CoreFiber-Optic Nerve for Hand Motion Capture)。在2011年，Nishiyama等研究員更進(jìn)一步開發(fā)出了用于捕捉全身姿態(tài)的光纖神經(jīng)動捕系統(tǒng)(Wearable Motion Capturing With the Flexing and Turning based on a Hetero-Core Fiber Optic Stretching Sensor)，在這個系統(tǒng)中，光纖神經(jīng)傳感單元被嵌入在服裝的關(guān)節(jié)部位，以便在人體關(guān)節(jié)運(yùn)動的時候感知關(guān)節(jié)部位服裝的擴(kuò)張與收縮。在工作原理方面，該系統(tǒng)與動作捕捉手套的工作原理是一致的。