CN106961717A - 一种低功耗穿戴式运动捕捉设备及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗穿戴式运动捕捉设备，包括运动捕捉节点和智能终端，运动捕捉节点包括传感器、电源、电路板、控制器、数据处理模块和无线通信模块，控制器的电平输出口I连接到无线通信模块的使能引脚I上，控制器的电平输出口II连接到传感器的使能引脚II上，控制器的电平输出口III连接到数据处理单元的外部中断引脚上；本发明还公开了一种低功耗穿戴式运动捕捉设备的控制方法，本发明通过设有两级处理机制，利用控制器电平输出口分别连接无线通信模块、数据处理单模块和传感器，通过输出不同电平自动使无线通信模块、数据处理单模块和传感器唤醒或休眠，改善单个运动捕捉节点的低功耗问题，延长了运动捕捉设备的使用时间。
Description
技术领域
本发明属于测量车辆、人员、动物或其他运动的固态物体在地面行驶的距离，例如，应用里程计或应用计步器的技术领域，具体是涉及一种低功耗穿戴式运动捕捉设备及其控制方法。
背景技术
运动捕捉技术已经在众多领域得到广泛应用，如影视制作、体感游戏、体育等；运动捕捉技术主要包括光学运动捕捉和穿戴式运动捕捉，光学运动捕捉通常基于光学图像，识别特征点，并根据动力学或逆向动力学构建整体的运动情况，但光学运动捕捉易受环境因素如光照、颜色对比度等影响，要求用户必须在摄像头可探测范围内，且不能存在遮挡，这一定程度上限制了光学运动捕捉的应用范围。
相对于光学捕捉，穿戴式运动捕捉不受场景、环境、遮挡等限制，具有较大的优势，但现有的穿戴式运动捕捉也具有明显劣势。通常，肢体运动捕捉需要在多个运动关节位置穿戴运动捕捉设备。可以通过有线的方式连接多个设备节点，由穿戴在腰部的主节点统一供电和收集数据并上传到上位机系统，但这种方式穿戴过于复杂，同时用户必须沿着肢体固定连接线，用户体验不佳。亦有方案是制作紧身衣，将运动捕捉设备嵌入到紧身衣中，这样虽然简化了穿戴过程，但增加了穿戴误差校正的过程，仍难以提升用户体验。
另一种则是采用无线方式在多个运动节点组成运动捕捉节点网络，可以提升穿戴体验，但对单个节点的电池容量要求较高，在提高电池容量的同时，又会增加单个节点的成本、重量和体积，影响用户体验。因此，单个节点的低功耗设计对于提升产品的指标和用户体验都非常重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低功耗穿戴式运动捕捉设备及其控制方法，该一种低功耗穿戴式运动捕捉设备及其控制方法通过设置有两级处理机制，利用控制器电平输出口分别连接无线通信模块、数据处理单模块和传感器，通过输出不同电平自动使无线通信模块、数据处理单模块和传感器唤醒或休眠，改善单个运动捕捉节点的低功耗问题，延长了运动捕捉设备的使用时间。
为了达到上述目的，本发明一种低功耗穿戴式运动捕捉设备，包括不少于1个运动捕捉节点和智能终端，所述运动捕捉节点包括传感器、电源、电路板以及设置在电路板上的控制器、数据处理模块和无线通信模块，所述电源与传感器、控制器、数据处理模块和无线通信模块连接，所述传感器通过串行外设接口与控制器连接，所述控制器通过串行外设接口与数据处理模块连接，所述数据处理模块通过串口与无线通信模块连接，所述无线通信模块通过蓝牙与智能终端连接，所述控制器的电平输出口I连接到无线通信模块的使能引脚I上，所述控制器的电平输出口II连接到传感器的使能引脚II上，所述控制器的电平输出口III连接到数据处理单元的外部中断引脚上。
进一步，所述传感器的数据准备引脚连接到控制器的外部中断引脚上。
进一步，所述无线通信模块的连接状态输出口连接到数据处理单元的外部中断引脚上。
进一步，所述电源的电压信号连接到数据处理单元的AD输入引脚上。
进一步，所述控制器的芯片型号设置为：STM8L101F1。
本发明还公开了一种低功耗穿戴式运动捕捉设备的控制方法，其步骤在于：
1)在待机状态下，控制器控制无线通信模块唤醒并等待被智能终端连接；智能终端连接上无线通信模块，无线通信模块的连接状态输出口连接到数据处理单元的外部中断引脚上，数据处理单元自动捕获连接状态输出口上的连接状态变化用于唤醒数据处理单元，数据处理单元根据接收到的控制命令通过SPI通知控制器对传感器的采样频率和采样的数据类型；
2)控制器以F1赫兹频率使能传感器，传感器中的ADC数据转换完成后，传感器的数据准备引脚连接到控制器的外部中断引脚上，传感器1的ADC一次采样完成后，数据准备引脚上产生数据准备信号，控制器的引脚自动捕获信号，并以中断方式通知控制器2；
3)控制器以SPI1读取传感器的数据并且在读取完成后，控制器的电平输出口O21连接到传感器的使能引脚上，电平输出口O21输出高电平或低电平，传感器根据其使能引脚的不同电平休眠；控制器采集到数据后，控制器的电平输出口O23连接到数据处理单元的外部中断引脚上，数据处理单元根据自动捕获电平输出口023的电平变化通知数据处理单元3唤醒，再通过SPI2发送到数据处理单元3；
4)数据处理单元接收数据后，运行运动捕捉算法，并将结果通过串口发送到无线通信模块中，由无线通信模块自动转发到智能终端；
5)控制器通过其电平输出口O24连接到无线通信模块的使能引脚，电平输出口O24输出高电平或低电平，无线通信模块根据其使能引脚的不同电平被唤醒或休眠，智能终端通过蓝牙向运动捕捉节点发送控制命令；
6)当控制器收到智能终端发送的停止命令时，控制器通过电平输出口O21输出高电平或低电平休眠传感器，通过电平输出口O24输出高电平或低电平休眠无线通信模块，无线通信模块休眠后在连接状态输出口上自动产生连接中断信号，数据处理单元接收后自动进入休眠；
7)在休眠模式下，蓝牙模块和数据处理单元处于完全休眠状态；控制器以F2赫兹的频率通过定时器自动唤醒，同时通过电平输出口O21输出高电平或低电平唤醒传感器进行单次测量；传感器数据转换完成后，控制器通过SPI1读取数据；读取完成后，控制器判断当前是否有运动，判断方法为：
若传感器1包含陀螺仪：wi为第i轴的角速率，λ1为设定的运动检测阈值；
若传感器1包含加速度计：ai为第i轴的加速度计读数，λ2为设定的运动检测阈值；
若传感器1包含磁力计： 为当前时刻磁力计测量的磁场矢量，为上一个时刻磁力计测量的磁场矢量，λ3为设定的运动检测阈值，<>为求向量的夹角余弦；
若上述条件均不满足时，则认为当前无运动，控制器控制传感器休眠后自动休眠，等待下一个时刻定时器唤醒；
若上述条件满足，控制器再立即追加一次测量，若仍然满足条件，则认为检测到运动；此时运动捕捉节点进入待机状态。
进一步，在步骤1)中，若T2时间内，无线通信模块唤醒未被智能终端连接，则控制器控制各部分进入休眠模式。
进一步，所述电源的电压信号连接到数据处理单元的AD输入引脚AIN3，数据处理单元进行AD采样，并通过串口发送到无线通信模块中，由无线通信模块自动转发到智能终端。
本发明的有益效果在于：
1、本发明一种低功耗穿戴式运动捕捉设备及其控制方法通过设置有两级处理机制，利用控制器电平输出口分别连接无线通信模块、数据处理单模块和传感器，通过输出不同电平自动使无线通信模块、数据处理单模块和传感器唤醒或休眠，改善单个运动捕捉节点的低功耗问题，延长了运动捕捉设备的使用时间。
2、本发明一种低功耗穿戴式运动捕捉设备及其控制方法的低功耗设计：传感器的唤醒时间为t1，转换时间为t2，输出需要的时间为t3，控制器通过连接线唤醒和休眠，允许的休眠时间为1/F1–t1–t2–t3；控制器的数据采集时间为t4，使能和失能传感器需要的时间为t5，SPI2通信的时间为t6，剩余的1/F1–t4–t5–t6的时间内控制器自动休眠，并由控制器的定时器自动唤醒；数据处理单元的唤醒和SPI2数据收发的时间为t6，运动捕捉算法运算时间为t7，电池电压AD转换和剩余电量估计的时间为t8，串口发送的时间为t9，完成后数据处理单元自动休眠，并只能由连接线f产生外部中断唤醒。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明一种低功耗穿戴式运动捕捉设备的控制原理图；
图2为本发明一种低功耗穿戴式运动捕捉设备的工作状态图。
附图标记：1-传感器；2-控制器；3-数据处理模块；4-无线通讯模块；5-智能终端；6-电源。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示为本发明一种低功耗穿戴式运动捕捉设备的结构示意图；如图2为本发明一种低功耗穿戴式运动捕捉设备的工作状态图；本发明一种低功耗穿戴式运动捕捉设备，包括不少于1个运动捕捉节点和智能终端5，所述运动捕捉节点包括传感器1、电源6、电路板以及设置在电路板上的控制器2、数据处理模块和3无线通信模块4，所述电源6与传感器1、控制器2、数据处理模块3和无线通信模块4连接，所述传感器1通过串行外设接口与控制器2连接，所述控制器2通过串行外设接口与数据处理模块3连接，所述数据处理模块3通过串口与无线通信模块4连接，所述无线通信模块4通过蓝牙与智能终端5连接，所述控制器2的电平输出口I连接到无线通信模块的使能引脚I上，所述控制器的电平输出口II连接到传感器的使能引脚II上，所述控制器的电平输出口III连接到数据处理单元的外部中断引脚上。
本实施例传感器设置为陀螺仪、加速度计、磁力计的一种或多种组合，包含传感器及AD转换；低功耗控制器，只能进行简单计算，体积小、功耗低；数据处理单元，用于算法运算，计算能力强，功耗高；无线通信模块设置为低功耗蓝牙无线通信模块，用于低功耗蓝牙无线数据通信；智能终端设置为智能手机，用于收集运动捕捉设备的数据、给设备发送启动、停止等控制命令；电源设置为电池组。
本实施例通过设置有两级处理机制，利用控制器电平输出口分别连接无线通信模块、数据处理单模块和传感器，通过输出不同电平自动使无线通信模块、数据处理单模块和传感器唤醒或休眠，改善单个运动捕捉节点的低功耗问题，延长了运动捕捉设备的使用时间。
进一步，优选的所述传感器1的数据准备引脚连接到控制器的外部中断引脚上。
进一步，优选的所述无线通信模块4的连接状态输出口连接到数据处理单元的外部中断引脚上。
进一步，优选的所述电源6的电压信号连接到数据处理单元的AD输入引脚上。
进一步，优选的所述控制器2的芯片型号设置为：
其工作原理如下：
A正常模式：此时为运动捕捉状态，设备各部分均正常工作，运动捕捉的计算频率为F1赫兹，系统工作流程为：
①控制器2以F1赫兹频率使能传感器1，传感器1中的ADC数据转换完成后，传感器1在连接线d上产生“数据准备”信号通知控制器2；
②控制器2以SPI1读取数据完成后，控制器2通过连接线c控制传感器1进入休眠；控制器2采集到数据后，通过连接线f唤醒数据处理单元3，再通过SPI2发送到数据处理单元3；
③数据处理单元3接收数据后，运行运动捕捉算法，并将结果通过串口发送到蓝牙模块4中，由4自动转发到智能终端5，上传数据的频率由数据处理单元3控制，与算法相关并不一定等于F1赫兹；同时数据处理单元3的ADC模块完成电池电压的数模转换，并估计剩余电池电量；
④控制器2通过连接线a使能蓝牙模块4为连接状态；智能终端5可通过蓝牙向设备发送控制命令，选择数据处理单元3中采用的算法，设置设备的工作模式；蓝牙模块4自动接收智能终端发送的数据，并转发到数据处理单元3；若下载的数据包含工作模式选择，则数据处理单元3通过SPI2在②中所述的操作后发送至控制器2；
⑤当设备收到智能终端发送的停止命令时，控制器2通过连接线c休眠传感器1，通过连接线a休眠蓝牙模块4，蓝牙模块休眠后在连接线b上自动产生连接中断信号，数据处理单元3接收后自动进入休眠；
⑥当蓝牙模块4因异常情况与智能终端5断开连接后，数据处理单元3开始计时，T1时间内若蓝牙重新被连接，则数据处理单元3清零计时，并继续正常工作模式；若T1时间内蓝牙未被连接，则数据处理单元3通知控制器2转入待机模式；
本模式下的低功耗设计：传感器1的唤醒时间为t1，转换时间为t2，输出需要的时间为t3，由控制器2通过连接线c唤醒和休眠，允许的休眠时间为1/F1–t1–t2–t3；控制器2的数据采集时间为t4，使能和失能传感器1需要的时间为t5，SPI2通信的时间为t6，剩余的1/F1–t4–t5–t6的时间内控制器2自动休眠，并由控制器2的定时器自动唤醒；数据处理单元3的唤醒和SPI2数据收发的时间为t6，运动捕捉算法运算时间为t7，电池电压AD转换和剩余电量估计的时间为t8，串口发送的时间为t9，完成后数据处理单元3自动休眠，并只能由连接线f产生外部中断唤醒。
B休眠模式：此时为设备停止使用状态：
在休眠模式下，蓝牙模块4、数据处理单元3处于完全休眠状态；控制器2以F2赫兹的频率通过定时器自动唤醒，同时连接线c使能传感器1单次测量；传感器1数据转换完成后，连接线d上产生“数据准备”信号，控制器2通过SPI1读取数据；读取完成后，控制器2判断当前是否有运动，判断方法为：
若传感器1包含陀螺仪：wi为第i轴的角速率，λ1为设定的运动检测阈值；
若传感器1包含加速度计：ai为第i轴的加速度计读数，λ2为设定的运动检测阈值；
若传感器1包含磁力计： 为当前时刻磁力计测量的磁场矢量，为上一个时刻磁力计测量的磁场矢量，λ3为设定的运动检测阈值；
若上述条件均不满足时，则认为当前无运动，控制器2控制传感器1休眠后自动休眠，等待下一个时刻定时器唤醒；
若上述条件满足，控制器2再立即追加一次测量，若仍然满足条件，则认为检测到运动，此时设备进入待机模式。
C待机模式：待机模式为蓝牙模块4等待连接状态，传感器1和数据处理单元3均为休眠状态：
待机模式下，控制器2控制蓝牙模块4唤醒并等待被智能终端5连接；T2时间内，智能终端5连接上蓝牙，则蓝牙模块4在连接线b上产生连接信号，唤醒数据处理单元3，数据处理单元3根据接收到的控制命令通过SPI2通知控制器2对传感器1的采样频率和采样的数据类型，之后进入正常模式；
若T2时间内，蓝牙模块4未被连接，则控制器2控制各部分进入休眠模式。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种低功耗穿戴式运动捕捉设备，其特征在于：包括不少于1个运动捕捉节点和智能终端，所述运动捕捉节点包括传感器、电源、电路板以及设置在电路板上的控制器、数据处理模块和无线通信模块，所述电源与传感器、控制器、数据处理模块和无线通信模块连接，所述传感器通过串行外设接口与控制器连接，所述控制器通过串行外设接口与数据处理模块连接，所述数据处理模块通过串口与无线通信模块连接，所述无线通信模块通过蓝牙与智能终端连接，所述控制器的电平输出口I连接到无线通信模块的使能引脚I上，所述控制器的电平输出口II连接到传感器的使能引脚II上，所述控制器的电平输出口III连接到数据处理单元的外部中断引脚上。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗穿戴式运动捕捉设备，其特征在于：所述传感器的数据准备引脚连接到控制器的外部中断引脚上。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗穿戴式运动捕捉设备，其特征在于：所述无线通信模块的连接状态输出口连接到数据处理单元的外部中断引脚上。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗穿戴式运动捕捉设备，其特征在于：所述电源的电压信号连接到数据处理单元的AD输入引脚上。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗穿戴式运动捕捉设备，其特征在于：所述控制器的芯片型号设置为：STM8L101F1。
6.一种使用权利要求1～5任一项所述的一种低功耗穿戴式运动捕捉设备的控制方法，其特征在于：其步骤如下：
1)在待机状态下，控制器控制无线通信模块唤醒并等待被智能终端连接；智能终端连接上无线通信模块，无线通信模块的连接状态输出口连接到数据处理单元的外部中断引脚上，数据处理单元自动捕获连接状态输出口上的连接状态变化用于唤醒数据处理单元，数据处理单元根据接收到的控制命令通过SPI通知控制器对传感器的采样频率和采样的数据类型；
2)控制器以F1赫兹频率使能传感器，传感器中的ADC数据转换完成后，传感器的数据准备引脚连接到控制器的外部中断引脚上，传感器1的ADC一次采样完成后，数据准备引脚上产生数据准备信号，控制器的引脚自动捕获信号，并以中断方式通知控制器2；
3)控制器以SPI1读取传感器的数据并且在读取完成后，控制器的电平输出口O21连接到传感器的使能引脚上，电平输出口O21输出高电平或低电平，传感器根据其使能引脚的不同电平休眠；控制器采集到数据后，控制器的电平输出口O23连接到数据处理单元的外部中断引脚上，数据处理单元根据自动捕获电平输出口023的电平变化通知数据处理单元3唤醒，再通过SPI2发送到数据处理单元3；
4)数据处理单元接收数据后，运行运动捕捉算法，并将结果通过串口发送到无线通信模块中，由无线通信模块自动转发到智能终端；
5)控制器通过其电平输出口O24连接到无线通信模块的使能引脚，电平输出口O24输出高电平或低电平，无线通信模块根据其使能引脚的不同电平被唤醒或休眠，智能终端通过蓝牙向运动捕捉节点发送控制命令；
6)当控制器收到智能终端发送的停止命令时，控制器通过电平输出口O21输出高电平或低电平休眠传感器，通过电平输出口O24输出高电平或低电平休眠无线通信模块，无线通信模块休眠后在连接状态输出口上自动产生连接中断信号，数据处理单元接收后自动进入休眠；
7)在休眠模式下，蓝牙模块和数据处理单元处于完全休眠状态；控制器以F2赫兹的频率通过定时器自动唤醒，同时通过电平输出口O21输出高电平或低电平唤醒传感器进行单次测量；传感器数据转换完成后，控制器通过SPI1读取数据；读取完成后，控制器判断当前是否有运动，判断方法为：
①若传感器1包含陀螺仪：wi为第i轴的角速率，λ1为设定的运动检测阈值；
②若传感器1包含加速度计：ai为第i轴的加速度计读数，λ2为设定的运动检测阈值；
③若传感器1包含磁力计： 为当前时刻磁力计测量的磁场矢量，为上一个时刻磁力计测量的磁场矢量，λ3为设定的运动检测阈值，表示两个向量的夹角；
若①、②、③条件均不满足时，则认为当前无运动，控制器控制传感器休眠后自动休眠，等待下一个时刻定时器唤醒；
若①、②、③条件满足任一个，控制器再立即追加一次测量，若仍然满足条件，则认为检测到运动；此时运动捕捉节点进入待机状态。
7.根据权利要求6所述的一种低功耗穿戴式运动捕捉设备的控制方法,其特征在于：在步骤1)中，若T2时间内，无线通信模块唤醒未被智能终端连接，则控制器控制各部分进入休眠模式。
8.根据权利要求6所述的一种低功耗穿戴式运动捕捉设备的控制方法,其特征在于：所述电源的电压信号连接到数据处理单元的AD输入引脚AIN3，数据处理单元进行AD采样，并通过串口发送到无线通信模块中，由无线通信模块自动转发到智能终端。
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| CN109540170A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-03-29 | 梧州学院 | 一种低功耗可穿戴计步器 |
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2017
- 2017-03-24 CN CN201710181907.6A patent/CN106961717A/zh active Pending
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