CN105872871A - 一种基于九轴姿态融合算法的多自由度蓝牙耳机 - Google Patents

一种基于九轴姿态融合算法的多自由度蓝牙耳机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于九轴姿态融合算法的多自由度蓝牙耳机，包括电源管理模块以及与电源管理模块相连接的姿态检测模块、姿态融合模块、控制模块、蓝牙通信模块和音频解码模块，其中姿态检测模块用于检测头部运动状态并获取姿态数据，姿态检测模块与姿态融合模块相连，姿态融合模块将姿态数据进行融合，姿态融合模块、音频解码模块、蓝牙通信模块均与控制模块相连。上述多自由度蓝牙耳机能够根据使用者头部的动作来对手机进行对应的操作，从而解决了人们在用手机并在驾驶或干其他事情时无法进行音乐操作或接听挂断电话、手机拍照的问题，本发明还可以解决对于失去双手的残疾人进行手机基本操作的问题。

Description

一种基于九轴姿态融合算法的多自由度蓝牙耳机
技术领域
本发明属于蓝牙耳机设计制作技术领域，尤其涉及一种基于九轴姿态融合算法的多自由度蓝牙耳机。
背景技术
姿态传感器，即惯性测量元件，是依据惯性力或惯性矩在惯性系中测量角速度、加速度等运动参量的器件，主要包括陀螺仪和加速度传感器。尤其是在MEMS技术发展之后，惯性测量元件在生活消费电子领域得到了更为广泛的运用，极大改善了人机交互界面，给人们的生活带来了方便。现在MEMS惯性测量元件已应用在智能手机、智能手环、照相机、3D遥控器等多种电子产品中。然而除手机外，这类电子产品往往只嵌入了加速度传感器或者陀螺仪传感器中的一种，以国产的智能手环为例，手环为监测人一天的运动状态，只嵌入了加速度传感器，由于加速度传感器具有灵敏度高、噪声大的特点，导致一些偶然的抖臂都可能被误判为走动或跑动，产生误判。同样，对于仅嵌入零漂较大的陀螺仪传感器的智能设备来说，数据的大幅度偏差也不可避免。
发明内容
本发明针对现有技术中的问题，提供了一种采用九轴姿态传感器全方位监测的蓝牙耳机，所述蓝牙耳机中首先得出九轴原始数据并进行算法融合后再作为姿态的特征数据，能够极大改善上述问题。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种基于九轴姿态融合算法的多自由度蓝牙耳机，包括电源管理模块以及与电源管理模块相连接的姿态检测模块、姿态融合模块、控制模块、蓝牙通信模块和音频解码模块，其中姿态检测模块用于检测头部运动状态并获取姿态数据，姿态检测模块与姿态融合模块相连，姿态融合模块将姿态数据进行融合，姿态融合模块、音频解码模块、蓝牙通信模块均与控制模块相连，控制模块对融合后的姿态数据分析后得出对应的控制指令并通过蓝牙通信模块将控制指令传达到手机端，所述音频解码模块将音频数据流解码并进行语音播放。
所述姿态检测模块由用于检测头部的三轴角速度和三轴加速度的数字式六轴IMU和用于检测头部磁偏航的数字式磁力计组成。所述数字式六轴IMU是基于I2C通信的整合型六轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速度传感器的轴间差的问题，并减少了大量包装空间，还可藉由第二个I2C端口桥接其他磁力计或其他传感器。
所述的姿态融合模块采用欧拉角的形式刻画头部运动。
所述欧拉角中横滚角和俯仰角是通过一阶龙格库塔算法解四元数微分方程，得到四元数并进一步转化得到；所述欧拉角中偏航角是通过陀螺仪z轴积分和磁力计输出互补滤波得到。
所述姿态模块融合中，对角速度原始数据进行一阶数字低通滤处理，对加速度原始数据进行IIR滤波处理。
所述蓝牙通讯模块为采用蓝牙4.0协议的通讯方式。
所述音频解码模块具体为VS1003、VS1011、VS1053、VS1063或VS1005的单片化MP3编解码芯片。
与现有技术相比，本发明提供的基于九轴姿态融合算法的多自由度蓝牙耳机具有以下优点：(1)本发明能够根据使用者头部的动作来对手机进行对应的操作，如接打电话、拍照、歌曲切换等，从而解决了人们在用手机并在驾驶或干其他事情时无法进行音乐操作或接听挂断电话、手机拍照的问题，本发明还可以解决对于失去双手的残疾人进行手机基本操作的问题。(2)本领域中受原理限制，单独的陀螺仪、加速度传感器或磁力计都无法全面的体现运动状态，而本发明中将三者获得的数据在姿态融合模块中利用算法进行融合，可以实现运动状态以欧拉角的形式稳定、准确的体现。(3)本发明中通过九轴姿态融合算法，解决单独嵌入加速度传感器噪声大和单独嵌入陀螺仪传感器零漂大的问题。
附图说明
图1为本发明提供的基于九轴姿态融合算法的多自由度蓝牙耳机的结构框图；
图2为加速度传感器原始数据和融和后数据的对比图；
图3为陀螺仪原始数据和融合后数据的对比图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明。
本发明提供的基于九轴姿态融合算法的多自由度蓝牙耳机的结构如图1所示，包括电源管理模块以及与电源管理模块相连接的姿态检测模块、姿态融合模块、控制模块、蓝牙通信模块和音频解码模块，其中姿态检测模块用于检测头部运动状态并获取姿态数据，姿态检测模块与姿态融合模块相连，姿态融合模块将姿态数据进行融合，姿态融合模块、音频解码模块、蓝牙通信模块均与控制模块相连，控制模块对融合后的姿态数据分析后得出对应的控制指令并通过蓝牙通信模块将控制指令传达到手机端，所述音频解码模块将音频数据流解码并进行语音播放。
在本实施例中，所述姿态检测模块由用于检测头部的三轴角速度和三轴加速度的数字式六轴IMU和用于检测头部磁偏航的数字式磁力计组成。所述数字式六轴IMU是基于I2C通信的整合型六轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速度传感器的轴间差的问题，并减少了大量包装空间，还可藉由第二个I2C端口桥接其他磁力计或其他传感器。
本实施例中所述的姿态融合模块采用欧拉角的形式刻画头部运动。在本领域中由于受到原理限制，单独的陀螺仪、加速度传感器或磁力计都无法全面的体现运动状态，且存在单独嵌入加速度传感器出现噪声大，单独嵌入陀螺仪传感器出现零漂大的问题，因此，需要将三者获得的数据在姿态融合模块中利用算法进行融合，从而实现运动状态以欧拉角的形式稳定、准确的体现。通过图2，图3数据对比曲线能够较为清晰地看到融合的效果。其中，横滚角和俯仰角是通过一阶龙格库塔算法解四元数微分方程，得到四元数并进一步转化得到；所述欧拉角中偏航角是通过陀螺仪z轴积分和磁力计输出互补滤波得到。所述姿态模块融合中对角速度原始数据进行一阶数字低通滤处理，对加速度原始数据进行IIR滤波处理。
本实施例中，控制模块用于将姿态融合模块得到的数据与预定义数据库进行比较，根据比较结果查询控制规则表，然后得出控制指令，通过蓝牙传输模块传输到手机端；本实施例中的蓝牙传输模块采用的是低功耗、低延时、长距离的蓝牙4.0协议。
所述音频解码模块具体为VS1003、VS1011、VS1053、VS1063或VS1005的单片化MP3编解码芯片。
下面将对本发明提供的多自由度蓝牙耳机的具体使用方法及原理进行详细的说明。本实施例的蓝牙耳机可以感受到的头部运动有点头、仰头、左点头、右点头、向左摇头、向右摇头；本蓝牙耳机可以实现的功能有上一曲、下一曲、暂停、播放、接通、挂断、拍照。在实际应用中，上述运动状态和功能可以有多种组合方式，用户可以根据自己需要自定义，如本实施例中定义运动和功能的关系为向左摇头表示上一曲，向右摇头表示下一曲，如果音乐正在播放点头表示暂停，如果音乐处于暂停点头表示播放，仰头表示拍照，左点头表示接听电话，右点头表示挂断电话。
下面以用户左点头表示接听电话为例，详细描述本发明的工作过程：
蓝牙耳机上电后自动与手机蓝牙配对，蓝牙耳机进行初始化；
IMU和磁力计实时监测当前姿态数据，传送至姿态融合模块；
姿态融合模块首先对来自姿态检测模块的数据进行滤波，然后利用三轴加速度数据和三轴角速度数据求得四元数，再将四元数转换为三个欧拉角，只取其横滚角和俯仰角；偏航角通过磁力计输出和陀螺仪z轴积分作互补滤波得来。
三个表示当前运动状态的欧拉角传送至控制模块，控制模块根据三个欧拉角的大小和正负与预定义数据库进行比较，即俯仰角介于-15度和15度之间，偏航角介于-15度和15度之间，横滚角介于-25度和-45度之间，得出当前运动状态，再根据运动状态查询控制规则表，得出对应的控制指令——此处为接通来电。
该指令对应数据流通过蓝牙通信模块传送到手机端，控制手机执行接通电话操作。
通过以上叙述过程可知，只要用户执行左点头动作，就可以控制手机接通来电，因此，按照类似的工作流程，蓝牙耳机可以根据用户的不同动作控制手机实现不同的功能。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是本发明申请的权利要求及说明书内容所做的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明申请的权利要求保护范围内，本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种基于九轴姿态融合算法的多自由度蓝牙耳机，其特征在于包括电源管理模块以及与电源管理模块相连接的姿态检测模块、姿态融合模块、控制模块、蓝牙通信模块和音频解码模块，其中姿态检测模块用于检测头部运动状态并获取姿态数据，姿态检测模块与姿态融合模块相连，姿态融合模块将姿态数据进行融合，姿态融合模块、音频解码模块、蓝牙通信模块均与控制模块相连，控制模块对融合后的姿态数据分析后得出对应的控制指令并通过蓝牙通信模块将控制指令传达到手机端，所述音频解码模块将音频数据流解码并进行语音播放。
2.根据权利要求1所述的多自由度蓝牙耳机，其特征在于：所述姿态检测模块由用于检测头部的三轴角速度和三轴加速度的数字式六轴IMU和用于检测头部磁偏航的数字式磁力计组成。
3.根据权利要求1所述的多自由度蓝牙耳机，其特征在于：所述的姿态融合模块采用欧拉角的形式刻画头部运动。
4.根据权利要求3所述的多自由度蓝牙耳机，其特征在于：所述欧拉角中横滚角和俯仰角是通过一阶龙格库塔算法解四元数微分方程，得到四元数并进一步转化得到；所述欧拉角中偏航角是通过陀螺仪z轴积分和磁力计输出互补滤波得到。
5.根据权利要求1所述的多自由度蓝牙耳机，其特征在于：所述蓝牙通讯模块为采用蓝牙4.0协议的通讯方式。
6.根据权利要求1所述的多自由度蓝牙耳机，其特征在于：所述音频解码模块具体为VS1003、VS1011、VS1053、VS1063或VS1005的单片化MP3编解码芯片。
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