CN111870249A - 一种基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统，所述人体姿态追踪系统包括数据采集系统、无线数据传输系统和计算机数据处理系统；所述数据采集系统包括至少一个数据采集模块，每个数据采集模块包括至少一个微惯性传感单元、电源管理单元、无线发射装置和主控处理模块，所述微惯性传感单元包括降压稳流模块和九轴惯性传感器；所述降压稳流模块用于对所述九轴惯性传感器滤除杂波和稳定电压，所述九轴惯性传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，分别用于采集加速度值和陀螺仪角速度值。本发明提供一种微型化、实时化、低成本化和可穿戴的人体姿态追踪系统，采用无线方式进行通讯，能够在不影响人体动作的前提下实时追踪人体姿态并进行分析。

Description

一种基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及姿态检测、无线遥感和运动医学技术领域，特别涉及一种基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统及其使用方法。

背景技术

姿态追踪技术被广泛地应用于影视动画、虚拟现实、生物医疗、人体康复等领域，成为当下科技领域最热门的技术之一。现有的姿态追踪技术主要运用于航空航天(如火箭的导航系统)及3D电影制作(如用于影视的摄像机式的姿态追踪设备)等，这类产品大多结构复杂、尺寸较大、成本较高，几乎无法做到适用于人体的姿态追踪。近年来，低功耗、小体积的微机系统极大地推动了微惯性传感技术的发展，基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统可以有效解决上述行业痛点。

发明内容

针对现有人体姿态追踪设备的种类不足、价格昂贵和当下切实的需求，本发明提供一种微型化、实时化、低成本化和可穿戴的人体姿态追踪系统，该系统的各个模块采用无线方式进行通讯，能够在不影响人体动作的前提下实时追踪人体姿态并进行分析，同时具有低功耗、数据精准等优点，使之能够方便地融入用户的日常生活。

本发明的第一个目的在于提供一种基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统，所述人体姿态追踪系统包括数据采集系统、无线数据传输系统和计算机数据处理系统；所述数据采集系统包括至少一个数据采集模块，每个数据采集模块包括至少一个微惯性传感单元、电源管理单元、无线发射装置和主控处理模块，所述微惯性传感单元包括降压稳流模块和九轴惯性传感器；所述降压稳流模块用于对所述九轴惯性传感器滤除杂波和稳定电压，所述九轴惯性传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，分别用于采集加速度值和陀螺仪角速度值；所述微惯性传感单元与所述主控处理模块通过通讯进行数据传输，所述电源管理单元为所述数据采集系统的其它部件供电；所述主控处理模块将所述微惯性传感单元采集到的数据进行融合计算得到姿态数据，并将所述姿态数据通过所述无线发射装置发送给所述计算机数据处理系统。

作为本发明一种优选的实施方式，所述数据采集系统包括五个数据采集模块，分别对应人体的五个部分：左臂、右臂、左腿、右腿和大脑；每个数据采集模块包括两个相互连接的微惯性传感单元。

作为本发明一种优选的实施方式，所述无线发射装置与所述主控处理模块通过SPI通讯方式连接，用于实时上传所述姿态数据和接收指令。

作为本发明一种优选的实施方式，所述无线发射装置为NRF无线收发器，所述NRF无线收发器包括频率发生器、功率放大器、模式控制器、晶体振荡器和调制解调器。

作为本发明一种优选的实施方式，所述无线发射装置分为五个从机模块和一个主机模块，所述五个从机模块位于用于数据采集的五个数据采集模块上，所述从机模块与所述主机模块遵循相同的通信协议、通信频率和通信速率，所述主机模块通过设置不同的接收地址将数据分包发送给所述计算机数据处理系统，从而完成数据交互。

作为本发明一种优选的实施方式，所述数据采集系统的微惯性传感单元与所述主控处理模块通过I2C串行通讯。

作为本发明一种优选的实施方式，所述无线数据传输系统包括至少一个NRF无线模组，用于接收所述数据采集模块的数据；所述NRF无线模组包括功率放大器和低噪声放大器；一个NRF无线模组与一个数据采集模块一一对应，用于将每个数据采集模块发送过来的数据按照特定的数据格式发送给所述计算机数据处理系统。

作为本发明一种优选的实施方式，所述计算机数据处理系统用于接收、存储和处理来自所述数据采集系统的人体姿态数据，并实时完成对人体3D姿态的重构，在人体姿态重构的基础上进一步提取运动参数进行分析。

本发明的第二个目的在于提供一种如上所述的基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统对于肢体功能损伤用户的康复效果评估的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明的人体姿态追踪系统，解决了现有产品大多结构复杂、尺寸较大、成本较高的问题，现有产品几乎无法做到适用于人体的姿态追踪，本发明的人体姿态追踪系统将惯性传感器通过绷带固定在用户身体的各个待测量部位处来采集各个关节的加速度、角速度等姿态数据，并将之进行数据融合转化成身体各个部位的三维姿态信息，从而对人体全身姿态进行重构，同时对用户身体各个部位的活动状况进行分析，在临床医疗领域，尤其对于肢体功能损伤用户的康复效果评估具有重要意义。

2)本发明的人体姿态追踪系统，采用模块化设计，使得产品损坏时易于快速更换，同时方便量产，可以大幅度降低用户使用损坏成本和工厂开辟生产线的成本，将最先进的技术更容易为平民接受，有助于技术推广。

3)本发明的人体姿态追踪系统，采用无线与有线相结合的设计方案，最大幅度地减少了人体的不舒适感，同时避免由于身体不适带来的动作变形；同时由于有线的存在，将提高用户穿戴时的易识别性，减少因为需要一一寻找传感节点与对应的身体位置带来的校对麻烦，提供用户体验。

4)本发明的人体姿态追踪系统，可以根据身体各个部位特定的需要，对身体特定专项进行追踪，例如可以特定的一条腿、头部等进行定向追踪，因而用户的使用自由度更高，适用范围更广。

附图说明

图1为本发明的人体姿态追踪系统的结构原理图。

图2为本发明的人体姿态追踪系统的一个实施例的结构原理图。

图3为本发明的人体姿态追踪系统的单个数据采集模块的结构原理图。

图4为本发明的人体姿态追踪系统的数据采集模块的软件流程图。

图5为本发明的人体姿态追踪系统的NRF无线模组的软件流程图。

图6为本发明的人体姿态追踪系统的上位机的软件流程图。

图7为本发明的人体姿态追踪系统的实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统，包括数据采集系统11、无线数据传输系统12和计算机数据处理系统13；所述数据采集系统11包括至少一个数据采集模块111，每个数据采集模块111包括至少一个微惯性传感单元1111、电源管理单元1112、无线发射装置1113和主控处理模块1114，所述微惯性传感单元1111包括降压稳流模块和九轴惯性传感器；所述降压稳流模块用于对所述九轴惯性传感器滤除杂波和稳定电压，所述九轴惯性传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，分别用于采集加速度值和陀螺仪角速度值；所述微惯性传感单元1111与所述主控处理模块1114通过I2C串行通讯进行数据传输，所述电源管理单元1112为所述数据采集系统11的其它部件供电；所述主控处理模块1114将所述微惯性传感单元1111采集到的数据进行融合计算得到姿态数据，并将所述姿态数据通过所述无线发射装置12发送给所述计算机数据处理系统13。

无线发射装置1113与主控处理模块1114通过SPI通讯方式连接，用于实时上传所述姿态数据和接收指令。无线发射装置1113为NRF无线收发器，所述NRF无线收发器包括频率发生器、功率放大器、模式控制器、晶体振荡器和调制解调器。无线发射装置1113分为至少一个从机模块和一个主机模块，所述从机模块位于用于数据采集的数据采集模块上，所述从机模块与所述主机模块遵循相同的通信协议、通信频率和通信速率，所述主机模块通过设置不同的接收地址将数据分包发送给计算机数据处理系统13，从而完成数据交互。

无线数据传输系统12包括至少一个NRF无线模组121，用于接收数据采集模块的数据；所述NRF无线模组121包括功率放大器和低噪声放大器；一个NRF无线模组121与一个数据采集模块111一一对应，用于将每个数据采集模块发送过来的数据按照特定的数据格式发送给计算机数据处理系统13。

计算机数据处理系统13用于接收、存储和处理来自数据采集系统的人体姿态数据，并实时完成对人体3D姿态的重构，在人体姿态重构的基础上进一步提取运动参数进行分析。

在一个优选实施例中，所述数据采集系统11包括五个数据采集模块111，分别对应人体的五个部分：左臂、右臂、左腿、右腿和大脑；每个数据采集模块111包括两个相互连接的微惯性传感单元1111，共十个节点，分别位于身体的头部、背部、左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿。如图2所示，每个部位对应两个节点，即远端节点101和主控节点102，远端节点101和主控节点102分别都有各自的绷带方便固定于人体的对应位置，主控节点102将采集到的姿态数据通过NRF无线模组103经由汇聚节点104发送给计算机数据处理系统105，计算机数据处理系统105将接收到的数据通过应用软件完成人体姿态3D还原。

如图3所示，主控节点102由一个九轴惯性传感器204、一块充电锂电池201、一个电源管理模块202、一个无线模块205、一个主控处理模块203、一个扩展I2C焊盘206、一个ICSP接口207组成，九轴惯性传感器204包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，九轴惯性传感器204与主控处理模块203采用I2C串行通信，其中九轴惯性传感器204的AD0引脚接3V3上拉，使得主控处理模块203读取到主控节点上的九轴惯性传感器204的地址为0x69；电源管理模块202的组成为电源开关、钽电容、肖基特二极管等，主要起到整流稳压的作用，电源管理模块202限定接入电源电压为3.3V。无线模块205与NRF无线模组103遵循相同的通信信道、通信速率和校验方式，当电源通电时自动保持连接。主控处理模块203为本发明的主控芯片，负责系统资源的分配调度，对九轴惯性传感器204的初始数据完成融合滤波，同时用于接收指令和上传数据。扩展I2C焊盘206用于为远端节点101上的九轴惯性传感器208供电和通讯，包括5个焊脚3V3、GND、SDA、SCL、AD0。其中AD0焊脚接主控节点的GND线，使得主控处理模块203读取九轴惯性传感器208的地址为0x68。ICSP接口207为全新芯片烧录bootloader和烧写单片机代码时使用，与USBASP引脚对应连接烧录即可。

如图3所示，远端节点101由九轴惯性传感器208和滤波稳压模块209组成。该九轴惯性传感器208与上述九轴惯性传感器204的功能一致，唯一区别是两者通过AD0电位升高或降低而保持不同地址，方便读写。滤波稳压模块209用于防止出现电压毛刺、稳定电流、防止过载。

一种基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤(1)，在关机状态下，将微惯性传感单元固定于指定人体的对应位置；

步骤(2)，将NRF无线模组插入上位计算机的USB接口；

步骤(3)，打开每个数据采集模块上的开关给每个模块上电，数据采集模块开始正常工作，开始人体姿态数据采集；

步骤(4)，将步骤(3)获取的原始人体姿态数据进行放大、滤波和降噪；

步骤(5)，打开计算机数据处理系统，扫描NRF无线模组的端口号，并选中端口，则此时就可以将人体实时3D姿态及其身体各个部位的数据分析结果显现出来。

如图4所示，为本发明的人体姿态追踪系统的数据采集模块的软件流程图，包括如下步骤：

步骤301：人体姿态追踪系统的五个数据采集模块全部上电；

步骤302：完成系统的初始化，包括时钟、I2C总线初始设置；

步骤303：设置延时，留足每个模块启动时间；

步骤304：设置波特率，波特率不同，则可能导致发送、接收双方数据错位，解码失败；

步骤305：初始化SPI总线，准备接通NRF24L01；

步骤306：NRF设置关闭收听，由于本系统为纯数据采集功能，不需要接收，所以关闭接听功能，只开启发送功能；

步骤307：配置目标主机地址；

步骤308：配置NRF24L01的数据发送速率，一般有三种可选250kbps、1Mbps、2Mbps，随着传输速率增高，NRF数据传输距离将会下降；

步骤309：配置与目标主机一样的通讯信道频率，相同的通讯频道会产生数据干扰；

步骤310：扫描出I2C线路上的设备；

步骤311/312：完成九轴惯性传感器的初始化，包括设定量程；

步骤313：校正九轴惯性传感器的数据，一般通过加权平均求得；

步骤314：读取IMU的初始数据；

步骤315：将寄存器读来的初始数据惊醒融合滤波处理，解决陀螺仪漂移问题；

步骤316：将融合完毕的数据打包发送给NRF无线模组；

步骤317：判断是否结束任务，若未收到结束，数据采集指定则返回步骤314继续循环。

如图5所示，为本发明的人体姿态追踪系统的NRF无线模组的软件流程图，包括如下步骤：

步骤401：NRF无线模组上电；

步骤402：完成系统初始化设置；

步骤403：设置波特率；

步骤404：初始化SPI总线，准备接通NRF24L01；

步骤405：NRF设置开始收听；

步骤406：配置接听的从机地址；

步骤407：配置NRF24L01的数据接听速率，与数据采集模块速率保持一致；

步骤408：配置与接听的从机一样的通讯信道频率；

步骤409：判断是否收听到数据，如果“否”则系统进入休眠状况，保持收听数据；如果“是”则进入

步骤410：设置数据转发给串口的发送格式；然后进入

步骤411：写入串口，如此不断循环判断。

如图6所示，为本发明的人体姿态追踪系统的上位机的软件流程图，包括如下步骤：

步骤501：上位机开启；

步骤502：完成系统初始化设置，设置系统读入串口的波特率；

步骤503：配置3D模型可视化窗口大小；

步骤504：扫描端口号，由于有五个NRF无线模组，若“否”则进入步骤507继续等待；若“是”则进行数据清洗，由于串口发来的数据是二进制格式，需要解码，以及对数据清洗操作，将其转化为数组形式；

步骤512：通过OpenGL完成人体姿态绘制；

步骤513：将清洗后的数组形式的数据，分别发送到OpenGL建立的人体模型的各个节点，完成绑定；

步骤510：完成3D虚拟人体模型姿态更新；

步骤509：判断是否停止采集，若“是”则程序终止，若“否”则跳到步骤505，完成新的循环。

应用实施例：

如图7所示，为本发明的人体姿态追踪系统的实施例的示意图。其中，(a)为双臂平举动作，(b)为叉腰动作，(c)为侧转身双臂平举单抬腿动作，(d)为举手动作。用户可将本项目用于人体姿态康复评估，患者可以进行全身的康复状况评估，也可以对单肢进行康复评估。患者只需要将本发明的主控节点和远端节点分别固定在对应的身体部位上，将NRF无线模组103插入到电脑的USB口，在计算机上打开计算机数据处理系统，扫描到NRF无线模组103的USB端口号，点击选中对应的端口号，然后拨动开关给五个模块上电，则数据已经开始采集，患者根据医生指令做出规定的动作，该动作变化产生的姿态角数据流将源源不断地发送给NRF无线模组103，计算机数据处理中心将根据姿态角数据流实时构建患者身体3D模型，并将数据实时保存，供后续评估分析。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统，其特征在于，所述人体姿态追踪系统包括数据采集系统、无线数据传输系统和计算机数据处理系统；所述数据采集系统包括至少一个数据采集模块，每个数据采集模块包括至少一个微惯性传感单元、电源管理单元、无线发射装置和主控处理模块，所述微惯性传感单元包括降压稳流模块和九轴惯性传感器；所述降压稳流模块用于对所述九轴惯性传感器滤除杂波和稳定电压，所述九轴惯性传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，分别用于采集加速度值和陀螺仪角速度值；所述微惯性传感单元与所述主控处理模块通过通讯进行数据传输，所述电源管理单元为所述数据采集系统的其它部件供电；所述主控处理模块将所述微惯性传感单元采集到的数据进行融合计算得到姿态数据，并将所述姿态数据通过所述无线发射装置发送给所述计算机数据处理系统。

2.根据权利要求1所述的基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统，其特征在于，所述数据采集系统包括五个数据采集模块，分别对应人体的五个部分：左臂、右臂、左腿、右腿和大脑；每个数据采集模块包括两个相互连接的微惯性传感单元。

3.根据权利要求1所述的基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统，其特征在于，所述无线发射装置与所述主控处理模块通过SPI通讯方式连接，用于实时上传所述姿态数据和接收指令。

4.根据权利要求1或3所述的基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统，其特征在于，所述无线发射装置为NRF无线收发器，所述NRF无线收发器包括频率发生器、功率放大器、模式控制器、晶体振荡器和调制解调器。

5.根据权利要求4所述的基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统，其特征在于，所述无线发射装置分为五个从机模块和一个主机模块，所述五个从机模块位于用于数据采集的五个数据采集模块上，所述从机模块与所述主机模块遵循相同的通信协议、通信频率和通信速率，所述主机模块通过设置不同的接收地址将数据分包发送给所述计算机数据处理系统，从而完成数据交互。

6.根据权利要求1所述的基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统，其特征在于，所述数据采集系统的微惯性传感单元与所述主控处理模块通过I2C串行通讯。

7.根据权利要求1所述的基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统，其特征在于，所述无线数据传输系统包括至少一个NRF无线模组，用于接收所述数据采集模块的数据；所述NRF无线模组包括功率放大器和低噪声放大器；一个NRF无线模组与一个数据采集模块一一对应，用于将每个数据采集模块发送过来的数据按照特定的数据格式发送给所述计算机数据处理系统。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统，其特征在于，所述计算机数据处理系统用于接收、存储和处理来自所述数据采集系统的人体姿态数据，并实时完成对人体3D姿态的重构，在人体姿态重构的基础上进一步提取运动参数进行分析。

9.如权利要求1-8任一项所述的基于微惯性传感器的人体姿态追踪系统对于肢体功能损伤用户的康复效果评估的应用。

Images