CN101694693A - 基于加速度传感器人体运动识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于加速度传感器人体运动识别系统，包括有计算机、多个信息获取子系统、主控机，信息获取子系统与主控机分别佩带在人体上，主控机控制信息获取子系统采集人体加速度信息，并将人体加速度信息传递至计算机进行分析；本发明中的信息获取子系统与主控机之间的无线射频的通信方式进行数据传输的，避免了电连接造成的导线过多带来的不便与不适；本发明即使在无光的情况下，只要使用者进行相关模式的运动，使用者的动作即可识别，这样本发明受周围环境影响较小，适应性较强；本发明中每个动作识别模式中的动作可以进行动态的调整，可以删除或者添加某种动作，这样用户可以根据自己的需要添加或者删除所需要识别的动作，从而提高本套产品的适用性。

Description

基于加速度传感器人体运动识别系统及方法

技术领域

本发明涉及传感器应用领域，特别涉及到基于加速度传感器人体运动识别系统及方法。

背景技术

人体动作识别技术是机器人研究中重要研究方向，成为改善人们日常生活的不可或缺的一门技术，无需借助任何计算机系统的传统的输入设备就识别用户的动作、意图。近年来，利用计算机技术识别人体动作在计算机视觉领域中备受人们关注，人们利用视频手段跟踪、捕捉人体的运动，获得人体的运动参数并从运动中重建人体的结构和姿态，其最终目的是达到对人体运动行为进行理解并加以应用。其主要应用在智能监控、虚拟现实、高级用户接口、运动分析、基于模型的视频编码等领域，对人机交互的智能化、人的生活将产生深远的影响。但是这种基于视觉的人体运动识别在很多场合是无能为力的，其只能在可见的情况下才能对人体运动进行识别，对一些比较隐蔽的动作只能望洋兴叹，而且基于视觉的人体动作识别技术要求人必须曝光在摄像头下，这样对人的隐私就不能进行很好的保护。

根据国家专利局检索中心专利查询，有针对人体运动分析的用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法，申请号是：200610088183.2，公开号是：CN1907222。其主要应用在竞技体育中，实时、同步提取人在运动时人体每个运动环节的加速度信息，获得一些运动学参数，通过对这些参数的分析、针对专项运动的每个环节的加速度信息总结运动规律，然后给出给出理论指导和科学评价。但是其主要为运动员的动作的准确性做辅助分析，未能对加速度数据进行处理、深入挖掘、建立与加速度相关的运动模型，由于其主要应用在竞技体育中，根据相关运动环节的加速度大小和方向对运动员在运动过程的动作的完成效果进行评估，所以对人体的动作进行识别不是它的功能；再者其主要是通过有线的方式实现采集器到控制器之间的电连接，使用不方便。这样无疑使用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法这项发明的应用范围大大减小。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于加速度传感器人体运动识别系统及方法，采用无线方式实现各部分通信，能够在保护人的隐私的前提下能对人体的动作进行实时地识别，使之能方便、广泛地应用在人们的日常生活当中，甚至取代计算机传统的输入设备。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于加速度传感器人体运动识别系统，其特征在于：包括有计算机、多个信息获取子系统、主控机，所述信息获取子系统与主控机分别佩带在人体上，所述主控机控制信息获取子系统采集人体加速度信息，并将人体加速度信息传递至计算机进行分析；

所述信息获取子系统包括电源及电源管理模块、微控制单元，所述电源及电源管理模块为信息获取子系统供电及进行电源管理，所述微控制单元的AD转换接口上电连接有加速度传感器，以采集人体加速度信号，微控制单元内部的AD转换器将加速度信号转化成数字量后存储在微控制单元内部的存储器中，所述微控制单元的通讯接口上电连接有无线通信模块，通过无线通信模块接收主控机发出的指令，并通过无线通信模块将存储的加速度信息传送至主控机，所述微控制单元上还电连接有外部干预模块，通过外部干预模块对信息获取子系统的工作进行干预和控制；

所述主控机包括电源管理模块、微控制单元，所述电源及电源管理模块给主控机供电及进行电源管理，所述微控制单元上电连接有存储模块，以存储主控机接收到的加速度信息，所述微控制单元上电连接有外部干预模块，通过外部干预模块选定主控机的动作识别模式，所述微控制单元的通讯接口上电连接有无线通信模块，与信息获取子系统互相传递信息，并与计算机互相传递信息，所述微控制单元上还电连接有USB接口，通过USB接口与计算机互相传递信息。

所述的基于加速度传感器人体运动识别系统，其特征在于：所述信息获取子系统整体装入盒子中，盒子外接有系带并做成手表状，分别佩带在人体四肢的上、下肢上，以及人体的脖子上。

所述的基于加速度传感器人体运动识别系统，其特征在于：所述主控机整体装入盒子中并做成手表状，佩带在人体胳膊上。

所述的基于加速度传感器人体运动识别系统，其特征在于：所述信息获取子系统中无线通信模块由射频组件组成。

所述的基于加速度传感器人体运动识别系统，其特征在于：所述主控机中无线通信模块包括无线射频通信模块与蓝牙通信模块，所述无线射频通信模块与信息获取子系统进行通信，所述蓝牙通信模块与计算机进行通信。

基于加速度传感器人体运动识别方法，其特征在于：采用权利要求1所述的基于加速度传感器人体运动识别系统，将信息采集子系统及主控机佩带在人体上；

首先通过外部干预模块，在主控机上选择动作识别模式，主控机根据所选择的动作识别模式，通过主控机的无线通信模块将控制信号传送至对应的人体部位上佩带的信息获取子系统的微控制单元，启动信息获取子系统进行工作，人体相应部分进行动作；

信息获取子系统通过加速度传感器采集相应的人体部位的加速度信息，并将加速度信号转化为数字量存储在信息获取子系统的微控制单元内部存储器中，主控机在人体进行动作的同时，每隔一定时间发送一次采集指令，通知信息获取子系统将采集并存储的加速度信息，通过信息获取子系统的无线通信模块传送至主控机上；

主控机将加速度信息存储在主控机的存储模块中，并通过主控机的无线通信模块，将加速度信息传送至计算机中进行分析，同时主控机以编码的形式告知计算机所选择的动作识别模式，计算机的数据库中预先存储所要识别的所有动作的加速度信号的特征点，特征点通过学习机能，与所对应的要识别的动作有对应的概率关系；

计算机根据主控机发送的其所选择的动作识别模式，从数据库中调出相应的加速度信号和特征点信息，与主控机发送来的加速度信息进行比较，计算出所选择的动作模式下的每个动作与数据库中特征点对应的概率，选择其中最大的概率所对应的动作即为待识别的动作，完成对人体的动作进行同步识别，在人体动作进行实时识别结束后，取下主控机，将加速度信息通过主控机的USB接口传送至计算机中进行进一步识别。

本发明由信息获取子系统、主控机和计算机组成。

信息获取子系统由微控制单元MCU、加速度传感器、电源及电源管理模块、无线通信模块和外部干预模块等组成，每个信息获取子系统都是一个独立工作的嵌入式系统，所有信息获取子系统在MCU的控制之下工作的，MCU在获得主控机的命令后启动该子系统的加速度传感器进行信号的采集工作，加速度传感器对人体运动环节的加速度信息进行获取，加速度信号经过MCU内部的AD转换器，转换为数字量，暂时存储在MCU内部的存储器中，MCU在收到主控机的同步传送指令后将这些数字化的加速度信息通过无线通信模块传送给主控机；其中，无线通信模块主要由射频组件组成，外部干预模块用来对信号获取子系统的工作进行干预和控制，比如开机、关机、暂停获取或进入待机模式等，电源及电源管理模块为信息获取子系统提供电源，并进行相关的电源管理，以降低系统功耗。

信息获取子系统有9个，由主体部分和系带组成，主体部分是一个里面装有信息获取子系统的各电子器件模块地盒子，做成手表状，系带也是像手表链样可系戴的，按照一定的顺序标好，信息获取子系统以佩带手表的形式系在四肢或者脖子上，四肢中每个上、下肢各佩戴一个，脖子上佩带一个；

主控机由MCU、电源及电源管理模块、USB、外部干预模块、存储模块和无线通信模块等组成，主控机通过外部干预模块选定动作识别模式，即需要进行动作识别的身体部位，包括左手臂、右手臂、左腿、右腿、全身五种动作识别模式，当需要采集某个部位的加速度信号时，主控机就发送同步采集指令到位于这个部位的几个信息获取子系统，然后这些信息获取子系统开始采集数据，每隔5ms的时间，主控机发送同步传送指令到上述信息获取子系统，通知信息获取子系统将数据发送到主控机上，主控机将接收到的加速度信息存储在存储器中；这里的无线通信模块包括无线射频通信子模块和蓝牙通信子模块，其中无线射频通信子模块与信息获取子系统通信，蓝牙通信子模块与计算机进行通信；当主控机将数据传送给计算机进行分析时，主控机会以编码的形式告知计算机动作识别模式；在需要对动作进行实时的识别时利用蓝牙通信子模块与计算机进行通信，在人进行某个动作的同时数据同步传输到计算机中，待动作完成时识别结果即可出来；在不需要对人体动作进行实时地识别时，主控机待动作完成之后将数据通过USB传递到计算机中进行识别；电源及电源管理模块为主控机提供电源，并进行相关的电源管理，以降低系统功耗；

主控机制成手表状，佩戴在人的胳膊上；

计算机主要是对加速度数据进行分析，计算机预先存储所要识别的所有动作的加速度信号的特征点，计算机根据主控机发送过来的动作识别模式，然后从数据库中调出相应的方法和特征点信息，当识别动作时根据接收到的加速度信息的特征点与已存储的动作的特征点相比较来识别这个动作。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

其一，本发明利用主控机的协调和同步作用，分布在人身体的各个信息获取子系统通过加速度传感器采集人各个环节的运动加速度信号，再经过AD转换，并通过无线通信方式传送给主控机，主控机通过USB或者蓝牙通信子模块与计算机连接，将AD转换过的加速度数据传递给计算机，由计算机通过一定的算法识别人体的动作；

本发明中的信息获取子系统与主控机之间的无线射频的通信方式进行数据传输的，避免了电连接造成的导线过多带来的不便与不适；

本发明即使在无光的情况下，只要使用者进行相关模式的运动，使用者的动作即可识别，这样本发明受周围环境影响较小，适应性较强；

本发明可以根据需要对人体进行专项的动作识别，在动作识别之前通过主控机选择动作识别模式，这样就可以单独识别手臂的一些姿式或动作，也可以识别腿的一些动作或者辅助进行步态的训练或者计算关节的角度，还可以辅助识别全身的协调性的动作；本发明由于采用无线通信方式，使用者在进行动作的同时，数据同步传递到计算机中进行分析，由于采用简单快速的算法，在使用者完成动作的同时动作识别结果即可出来，因此实时性较好，适用范围较广。

其二，本发明中，开启主控机，选择动作识别的模式，人体开始做出相应的动作，这些动作能进行识别的前提在于这些动作的加速度信号的特征点在这之前已经存储在计算机中的数据库中，并且这些特征点通过学习，与所要识别的动作有一定的概率关系，当主控机将加速度信息传递给计算机时，由计算机根据一定的算法提取出特征点，并依据一定的算法，推导出这个动作模式下的每个动作对应这些特征点的概率，选择其中最大的概率所对应的动作即为待识别的动作；

本发明中每个动作识别模式中的动作可以进行动态的调整，可以删除或者添加某种动作，这样用户可以根据自己的需要添加或者删除所需要识别的动作，从而提高本套产品的适用性。

附图说明

图1为本发明系统安装示意图。

图2为本发明主控机与信息获取子系统的无线通信示意图。

图3为本发明工作流程图。

具体实施方式

如图1。本发明有9个信息获取子系统1，一个主控机2，图中只画了一个信息获取子系统1，9个信息获取子系统1分别放置在使用者的四肢的上、下肢上和脖子上，具体的放置方法为：每只手的手腕处放置一个，放置方法如同佩戴手表，胳膊上的信息获取子系统1放置在肘以上大约2厘米处，与手腕处的信息获取子系统1成一条线；每条腿的脚踝处放置一个信息获取子系统1，信息获取子系统1的主体部分应对应正前方，每条腿上的另外一个信息获取子系统1放置在膝盖上大约2厘米处，与脚踝处的信息获取子系统成一条线；脖子上的信息获取子系统1的主体部分应对应正前方；

本发明的主控机2的外表结构与信息获取子系统1一样，放置位置可由使用者根据习惯选定，一般戴在手臂上。

如图2。主控机的主要任务是对所有信息获取子系统的协调与同步工作以及接受所有信息获取子系统1发送过来的加速度信息并转发到计算机中；信息获取子系统1的主要任务是采集加速度信息并转发到主控机上。

使用时，使用者首先在主控机上选择动作识别模式，主控机根据使用者选择的动作识别模式启动对应的信息获取子系统，例如使用者选择右手动作识别模式，则主控机启动右手臂上的两个信息获取子系统；然后使用者开始做出动作，信息获取子系统采集到加速度模拟量信息，经AD转换后暂存在信息获取子系统中，主控机每隔5ms发一次同步传输信号到信息获取子系统，然后信息获取子系统将暂存的数据通过无线射频通信方式发送到主控机上，主控机能同时接收12路无线射频信号，所以可以同时接收9个信息获取子系统发送过来的加速度信息。

如图3。本发明系统的工作流程是：基于加速度传感器人体动作识别装置的主控机上点开始(步骤100)，在主控机上通过按键设置动作识别模式(步骤110)，主控机向信息获取子系统发送信息采集指令(步骤120)，接收到主控机发送的信息采集指令的信息获取子系统开始采集加速度数据(步骤130)，加速度数据经AD转换后暂存在信息获取子系统中的存储器中，主控机每隔5ms向信息获取子系统发送同步传递指令(步骤140)，接收到同步传递指令的信息获取子系统向主控机传递数据(步骤150)，在步骤160中判断本次所有的信息获取子系统发送过来数据主控机是否全部接收？如否，主控机向信息获取子系统重新发一次同步传递指令(步骤140)，如是，步骤170判断数据采集是否结束，如否，则主控机向信息获取子系统发送信息采集指令(步骤120)，如是，数据采集过程结束(步骤180)；

需要说明的是，如果使用者需要实时地进行动作识别时，则主控机在接收到所有信息获取子系统发送过来的数据的同时通过蓝牙将数据发送到计算机中；如果是非实时地进行动作识别，待数据采集过程结束后，通过USB将数据传递到计算机中；数据采集过程结束是本次动作数据采集的结束，通过软件来判定结束，主控机发送信息采集结束指令到信息获取子系统，信息获取子系统停止数据的采集，待到软件判定下个动作开始时，主控机再通知信息获取子系统采集数据。

实施例：

使用者利用本发明体验虚拟乒乓球的游戏，这就需要实时地对乒乓球动作进行识别，预先下载乒乓球右手动作的特征点的数据库，使用者按照上述的方法穿戴好本发明，在主控机上选择右手动作识别模式，开始游戏，主控机发送信号采集指令到信息获取子系统，信息获取子系统开始采集数据，数据经过AD转换，暂存在信息获取子系统中的存储器中，主控机每隔5ms给信息获取子系统发送同步传输指令，信息获取子系统通过无线射频的方式把暂存的数据发送到主控机中，主控机立刻将收到的数据通过蓝牙发送到计算机中，当动作完成时，由主控机种的软件判定动作结束并发送信息采集指令到信息获取子系统中，信息获取子系统停止对本次动作数据的采集，计算机开始分析获得数据的特征点，并由这些特这点通过一定的算法匹配相应的所有上述下载的数据库中的动作，并取匹配结果中概率最大的动作为识别结果，由这个识别结果操纵游戏内容，当使用者开始下一个动作时，重复上述过程。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的基于加速度传感器人体运动识别装置及方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.基于加速度传感器人体运动识别系统，其特征在于：包括有计算机、多个信息获取子系统、主控机，所述信息获取子系统与主控机分别佩带在人体上，所述主控机控制信息获取子系统采集人体加速度信息，并将人体加速度信息传递至计算机进行分析；

所述信息获取子系统包括电源及电源管理模块、微控制单元，所述电源及电源管理模块为信息获取子系统供电及进行电源管理，所述微控制单元的AD转换接口上电连接有加速度传感器，以采集人体加速度信号，微控制单元内部的AD转换器将加速度信号转化成数字量后存储在微控制单元内部的存储器中，所述微控制单元的通讯接口上电连接有无线通信模块，通过无线通信模块接收主控机发出的指令，并通过无线通信模块将存储的加速度信息传送至主控机，所述微控制单元上还电连接有外部干预模块，通过外部干预模块对信息获取子系统的工作进行干预和控制，所述的外部干预模块主要是按键组成，供使用者手工对整个系统进行干预；

所述主控机包括电源管理模块、微控制单元，所述电源及电源管理模块给主控机供电及进行电源管理，所述微控制单元上电连接有存储模块，以存储主控机接收到的加速度信息，所述微控制单元上电连接有外部干预模块，通过外部干预模块选定主控机的动作识别模式，所述微控制单元的通讯接口上电连接有无线通信模块，与信息获取子系统互相传递信息，并与计算机互相传递信息，所述微控制单元上还电连接有USB接口，通过USB接口与计算机互相传递信息。

2.根据权利要求1所述的基于加速度传感器人体运动识别系统，其特征在于：所述信息获取子系统整体装入盒子中，盒子外接有系带并做成手表状，分别佩带在人体四肢的上、下肢上，以及人体的脖子上。

3.根据权利要求1所述的基于加速度传感器人体运动识别系统，其特征在于：所述主控机整体装入盒子中并做成手表状，佩带在人体胳膊上。

4.根据权利要求1所述的基于加速度传感器人体运动识别系统，其特征在于：所述信息获取子系统中无线通信模块由射频组件组成。

5.根据权利要求1所述的基于加速度传感器人体运动识别系统，其特征在于：所述主控机中无线通信模块包括无线射频通信模块与蓝牙通信模块，所述无线射频通信模块与信息获取子系统进行通信，所述蓝牙通信模块与计算机进行通信。

6.一种利用基于加速度传感器人体运动识别系统的人体运动识别方法，其特征在于：采用权利要求1所述的基于加速度传感器人体运动识别系统，将信息采集子系统及主控机佩带在人体上；

首先通过外部干预模块，在主控机上选择动作识别模式，主控机根据所选择的动作识别模式，通过主控机的无线通信模块将控制信号传送至对应的人体部位上佩带的信息获取子系统的微控制单元，启动信息获取子系统进行工作，人体相应部分进行动作；

信息获取子系统通过加速度传感器采集相应的人体部位的加速度信息，并将加速度信号转化为数字量存储在信息获取子系统的微控制单元内部存储器中，主控机在人体进行动作的同时，每隔一定时间发送一次采集指令，通知信息获取子系统将采集并存储的加速度信息，通过信息获取子系统的无线通信模块传送至主控机上；

主控机将加速度信息存储在主控机的存储模块中，并通过主控机的无线通信模块，将加速度信息传送至计算机中进行分析，同时主控机以编码的形式告知计算机所选择的动作识别模式，计算机的数据库中预先存储所要识别的各种动作的加速度信号的特征点，特征点通过学习机能，与所对应的要识别的动作有对应的概率关系；

计算机根据主控机发送的其所选择的动作识别模式，从数据库中调出相应的加速度信号和特征点信息，与主控机发送来的加速度信息进行比较，计算出所选择的动作模式下的每个动作与数据库中特征点对应的概率，选择其中最大的概率所对应的动作即为待识别的动作，完成对人体的动作进行同步识别，在人体动作进行实时识别结束后，取下主控机，将加速度信息通过主控机的USB接口传送至计算机中进行进一步识别。

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