CN112472074A - 一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明所公开的一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统，包括分别安装于人体上的手腕、手臂、脚腕、大腿和腰部的加速度传感器、对各加速度传感器所产生的数据进行采集的坐起步态数据采集装置和对各坐起步态数据采集装置所采集的数据进行分析出人体姿态的上位分析器，坐起步态数据采集装置包括主控模块和第一数据传输模块，第一数据传输模块和各加速度传感器分别与主控模块相连，上位分析器包括数据分析模块和与第一数据传输模块进行连接的第二数据传输模块，数据分析模块与第二数据传输模块通信连接；其对于人体各部位姿态数据收集快捷，同时对收集的数据处理效率高，还具有受外界环境干扰小、成本低并且便于携带等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种人体姿态数据采集和分析系统技术领域，尤其是一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统。
背景技术
近些年，学界对人体运动姿态进行监测和评估的研究大部分都采用基于图像分析的方法。基于图像分析的人体姿态识别是在应用场景内安装摄像头，通过对人处于不同姿态时的图像进行分析来识别人体姿态。
基于图像的人体姿态识别理论较为成熟，准确性很高，但该方法受外界环境影响很大，仅能在装有摄像头的特定区域使用，同时区域内物体的遮挡、光线的敏感及摄像头的死角均会对识别结果造成很大的影响，且其成本较高，这些缺陷都限制了基于图像分析的人体姿态识别方法的应用和推广，从而使用效果不佳。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足而设计的一种降低成本，提升使用效果的一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统。
本发明所设计一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统，包括分别安装于人体上的手腕、手臂、脚腕、大腿和腰部的加速度传感器、对各加速度传感器所产生的数据进行采集的坐起步态数据采集装置和对各坐起步态数据采集装置所采集的数据进行分析出人体姿态的上位分析器，坐起步态数据采集装置包括主控模块和第一数据传输模块，第一数据传输模块和加速度传感器分别与主控模块相连，上位分析器包括数据分析模块和与第一数据传输模块进行连接的第二数据传输模块，数据分析模块与第二数据传输模块通信连接；
其中，各加速度传感器产生人体部位的姿态数据，并传输至坐起步态数据采集装置的主控模块中，主控模块将实时接收的各人体部位姿态数据进行分别处理后通过第一数据传输模块与第二数据传输模块相互通信而传输至数据分析模块，数据分析模块对各人体部位的姿态数据进行整合分析得到人体姿态。
作为优选，还包括在采集前数据分析模块依次对各加速度传感器上的九轴陀螺仪进行校准，校准完成后在数据分析模块上将获取数据的频率进行设置，且设置频率为100Hz。
作为优选，数据分析模块对各人体部位姿态数据输入滤波模块进行滤波预处理而得到滤波函数，针对滤波函数进行滤波和函数计算，且滤波和函数计算通过以下公式：
经上述公式得到的数据进行图像分析，并从频域的角度分析加速度信号，从时域的角度对加速度分析函数进行积分，每一次时域积分后进行一次函数积分以进行去趋势处理。
作为优选，还包括主控盒和电源，第一数据传输模块、主控模块和电源均安装于主控盒内，且电源分别对第一数据传输模块、主控模块进行供电。
作为优选，五个加速度传感器上均设置有第一蓝牙模块，主控模块上连接有五个第二蓝牙模块，五个第一蓝牙模块分别与五个第二蓝牙模块进行配对后无线通讯连接。
作为优选，第一数据传输模块和第二数据传输模块均采用WIFI模块。
作为优选，电源采用锂电池，且主控盒上设置有充电模块，充电模块与锂电池相连。
本发明所设计的一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统，其对于人体各部位姿态数据收集快捷，同时对收集的数据处理效率高，另外，基于加速度传感器的人机交互技术达到了人体姿态的识别速度得到提升，并且具有受外界环境干扰小、成本低并且便于携带等特点，进一步基于加速度传感器的人体姿态识别除了可应用在人机交互之外，还被广泛地应用在运动分析、医疗监护、体感游戏和能耗评估等领域，拥有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1是系统结构示意图；
图2是在五个加速度传感器在人体上安装的结构示意图；
图3是加速度传感器结构示意图；
图4是分析流程框图。
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例：
如附图所示，本实施例所描述的一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统，包括分别安装于人体上的手腕、手臂、脚腕、大腿和腰部的加速度传感器3、对各加速度传感器3所产生的数据进行采集的坐起步态数据采集装置1和对各坐起步态数据采集装置1所采集的数据进行分析出人体姿态的上位分析器2，坐起步态数据采集装置1包括主控模块11和第一数据传输模块12，第一数据传输模块12和加速度传感器3分别与主控模块11相连，上位分析器包括数据分析模块22和与第一数据传输模块12进行连接的第二数据传输模块21，数据分析模块22与第二数据传输模块21通信连接；进一步地，还包括主控盒和电源13，第一数据传输模块12、主控模块11和电源13均安装于主控盒内，且电源13分别对第一数据传输模块12、主控模块11进行供电，第一数据传输模块12和第二数据传输模块21均采用WIFI模块，其中加速度传感器3安装于绑带4上，且绑带4绑缚于人体上
基于上述，数据分析模块为PC机上植入的数据分析程序软件，且WIFI模块植入在PC机中，主控盒通过WIFI与PC机进行无线数据传输连接，并且五个加速度传感器3上均设置有第一蓝牙模块31，主控盒上1的主控模块11上连接有五个第二蓝牙模块5，五个第一蓝牙模块31分别与五个第二蓝牙模块5进行配对后无线通讯连接，配对完成后将五个加速度传感器3依次佩戴到左上臂、右手腕、左大腿、右脚踝关节处和盆骨左侧，加速度传感器3放置时坐标轴要遵循x轴面对人体指向后侧，y轴竖直向上，z轴面在人体上指向左侧，并且依次对各加速度传感器上的九轴陀螺仪(由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计构成)进行校准，校准完成后在数据分析模块上将获取数据的频率进行设置，且设置频率为100Hz，最后PC机通过WIFI的无线数传将五个加速度传感器产生的数据进行收集，在上述准备完毕的情况下，进行坐起实验和正常步态实验，坐起实验中采集对象要在椅子上坐着到站着交替进行6次持续30秒，正常步态实验中实验对象在20m的走廊上自然走6次，每次持续8到12个步长周期10s左右，对同一采集对象要间隔一周多次进行相同规格的测试，减小误差，提高实验数据的精准性；其中采集时，各加速度传感器产生人体部位的姿态数据，并传输至坐起步态数据采集装置的主控模块中，主控模块将实时接收的各人体部位姿态数据进行分别处理后通过第一数据传输模块与第二数据传输模块相互通信而传输至数据分析模块，数据分析模块对各人体部位的姿态数据进行整合分析得到人体姿态，从而在分析时，数据分析模块对各人体部位姿态数据输入滤波模块进行滤波预处理而得到滤波函数，针对滤波函数进行滤波和函数计算，且滤波和函数计算通过以下公式：
状态先验估计测算：
方差先验估计测算：
增益矩阵测算：
状态估计校正计算：
方差估计校正计算：
经上述公式得到的数据进行图像分析，并从频域的角度分析加速度信号，从时域的角度对加速度分析函数进行积分，每一次时域积分后进行一次函数积分以进行去趋势处理，其中的去趋势处理可以消除传感器在获取数据时产生的偏移对后期计算产生的影响，从数据中删除趋势可以将分析集中在数据趋势本身的波动上，能够为我们提供更准确地实验数据，为实现的真实性和准确性提供基础。
对于上述中，获取数据频率的设置频率100HZ，确保每个轴数据采样频率为100次秒，也就是周期是0.01秒，从而在WIFI无线数据传输时以2Mbps进行将所采集的数据进行无线传输至PC机，使PC机的数据分析模块快速读取到加速度传感器的数据；在步态识别之前，分割步进周期，将所有步骤周期均归-化为100个采样点的长度，从而提升数据采集速度和密度，且经采集的数据使得分析后可得到较为精确分析数值，WIFI无线数据传输使得人体在运动时不受线缆束缚和限制，使运动效果和数据采集检测的效果更佳。
在本实施例中，各加速度传感器3分别与主控盒通过蓝牙无线连接及数据传输，很大程度上的避免了，传统排线式设计所产生的误差，和在排线过程当中，线路对人体所产生的影响；并且无线数据传输的方式一码对应一个加速的传感器的的方式进行无线连接，同时能够防止测量数据时排线方式采集对人体运动产生的干扰。
在本实施例中，电源13采用锂电池，且主控盒上设置有充电模块14，充电模块14与锂电池相连，其中充电模块由充电电路141和USB充电接口142组成，从而通过无电源线连接的情况下，减少线缆连接，使得人体运动更加方便，也不受限制和干扰，达到运动检测的数据更加精确。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统，其特征在于，包括分别安装于人体上的手腕、手臂、脚腕、大腿和腰部的加速度传感器、对各加速度传感器所产生的数据进行采集的坐起步态数据采集装置和对各坐起步态数据采集装置所采集的数据进行分析出人体姿态的上位分析器，坐起步态数据采集装置包括主控模块和第一数据传输模块，第一数据传输模块和各加速度传感器分别与主控模块相连，上位分析器包括数据分析模块和与第一数据传输模块进行连接的第二数据传输模块，数据分析模块与第二数据传输模块通信连接；
其中，各加速度传感器产生人体部位的姿态数据，并传输至坐起步态数据采集装置的主控模块中，主控模块将实时接收的各人体部位姿态数据进行分别处理后通过第一数据传输模块与第二数据传输模块相互通信而传输至数据分析模块，数据分析模块对各人体部位的姿态数据进行整合分析得到人体姿态。
2.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统，其特征在于，还包括在采集前数据分析模块依次对各加速度传感器上的九轴陀螺仪进行校准，校准完成后在数据分析模块上将获取数据的频率进行设置，且设置频率为100Hz。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统，其特征在于，数据分析模块对各人体部位姿态数据输入滤波模块进行滤波预处理而得到滤波函数，针对滤波函数进行滤波和函数计算，且滤波和函数计算通过以下公式：
经上述公式得到的数据进行图像分析，并从频域的角度分析加速度信号，从时域的角度对加速度分析函数进行积分，每一次时域积分后进行一次函数积分以进行去趋势处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统，其特征在于，还包括主控盒和电源，第一数据传输模块、主控模块和电源均安装于主控盒内，且电源分别对第一数据传输模块、主控模块进行供电。
5.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统，其特征在于，五个加速度传感器上均设置有第一蓝牙模块，主控模块上连接有五个第二蓝牙模块，五个第一蓝牙模块分别与五个第二蓝牙模块进行配对后无线通讯连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统，其特征在于，第一数据传输模块和第二数据传输模块均采用WIFI模块。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于加速度传感器的坐起步态数据采集和分析系统，其特征在于，电源采用锂电池，且主控盒上设置有充电模块，充电模块与锂电池相连。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210312 |