CN113063417A - 基于脚部姿态交互的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及穿戴设备交互技术领域，尤指一种基于脚部姿态交互的控制方法，其包括智能鞋和智能设备，智能鞋包括鞋体及装设在鞋体内的传感器组件和主控制器；该控制方法包括如下步骤：传感器组件采集穿戴者的脚部姿态数据；主控制器根据脚部姿态数据处理成相对应的指令信号，并将相应的指令信号传送至智能设备；智能设备根据指令信号作出相应的指令操作。本发明将智能鞋与互联网技术相结合，通过智能鞋来识别脚部姿态动作，并根据该脚部姿态动作对智能设备作出相应的指令，提高了交互性。

Description

基于脚部姿态交互的控制方法

技术领域

本发明涉及穿戴设备交互技术领域，尤指一种基于脚部姿态交互的控制方法。

背景技术

随着各种电子产品的大规模普及和微型化研究的快速发展，让电子产品置入普通鞋子或鞋类物成为可行的方案。通过鞋子的电子化和智能化，可以为鞋子提供许多实用的功能，为用户提供新体验，例如：智能鞋能提供诸如计步、健康监测等功能。

随着互联网技术的日益成熟和智能设备的普及，尤以智能手机、电脑和平板电脑为甚。像电脑的无线操控，在会议中进行项目演说或者说明，一般是通过电脑的键盘或者激光笔进行相应的演示和说明。鞋子作为我们必备的穿戴设备，但现有技术中的鞋子存在功能单一，缺乏交互性，并没有很好的和目前的物联网技术及智能设备结合。如何通过鞋子来控制智能设备成为亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于脚部姿态交互的控制方法，通过脚步的姿态对智能设备进行控制操作，提高了交互性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于脚部姿态交互的控制方法，包括智能鞋和智能设备，所述智能鞋包括鞋体及装设在鞋体内的传感器组件和主控制器；

该控制方法包括如下步骤：

所述传感器组件采集穿戴者的脚部姿态数据；

所述主控制器根据脚部姿态数据处理成相对应的指令信号，并将相应的指令信号传送至所述智能设备；

所述智能设备根据指令信号作出相应的指令操作。

作为一种优选方案，所述智能鞋还包括副控制器，所述副控制器和主控制器分别独立装设在两只鞋体内；所述传感器组件采集穿戴者的脚步姿态数据的步骤如下：

所述传感器组件采集左脚的脚步姿态数据，并将该数据发送至所述副控制器；

所述传感器组件采集右脚的脚步姿态数据，并将该数据发送至所述主控制器。

作为一种优选方案，所述副控制器将左脚的脚步姿态数据处理成相应的指令信号，并将该指令信号传送至主控制器；所述主控制器将右脚的脚步姿态数据处理成相应的指令信号，所述主控制器将左脚和右脚相对应的指令信号发送至所述智能设备。

作为一种优选方案，所述副控制器将左脚的脚步姿态数据处理成相应的指令信号，并将该指令信号发送至所述智能设备。

作为一种优选方案，所述脚步姿态数据包括水平旋转、前后俯仰和左右翻滚三种数据。

作为一种优选方案，所述传感器组件包括陀螺仪；所述脚步姿态数据的采集方法包括如下步骤：

陀螺仪获取鞋子在x、y、z三轴方向上的旋转角速度，分别为ω_x、ω_y、ω_z；

将旋转角速度ω_x、ω_y、ω_z对时间积分计算出陀螺仪当下时刻在x、y、z三轴方向上的旋转角度ɑ_x、ɑ_y、ɑ_z；

根据旋转角度ɑ_x获得鞋体的前后俯仰的数据；

根据旋转角度ɑ_y获得鞋体的水平旋转的数据；

根据旋转角度ɑ_z获得鞋体的左右翻滚的数据。

作为一种优选方案，所述旋转角速度ω_x、ω_y、ω_z对时间积分计算出旋转角度ɑ_x、ɑ_y、ɑ_z的公式如下：

其中，ɑ_x0、ɑ_y0、ɑ_z0表示陀螺仪上一时刻在x、y、z三轴方向上的旋转角度，初始值均为0，dt数值为0.002s。

作为一种优选方案，所在所述旋转角速度ω_x、ω_y、ω_z对时间积分计算出旋转角度ɑ_x、ɑ_y、ɑ_z的公式后，还需要对旋转角度ɑ_x、ɑ_y、ɑ_z进行积分校准。

作为一种优选方案，所述传感器组件还包括地磁传感器和加速度计；所述积分校准的步骤包括：

地磁传感器获取鞋子在x、y、z三轴方向上的地磁分量，分别为b_x、b_y、b_z；

根据公式ɑ_yb＝atan2f(b_y，b_x)获得地磁y轴角度ɑ_yb；

加速度计获取鞋子在x、y、z三轴方向上的加速度，分别为a_x、a_y、a_z；

对加速度a_x、a_y、a_z做归一化处理，获得加速度z轴角度ɑ_za和加速度x轴角度ɑ_xa；

利用地磁y轴角度ɑ_yb、加速度z轴角度ɑ_za和加速度x轴角度ɑ_xa对陀螺仪在x、y、z三轴方向上的旋转角度ɑ_x、ɑ_y、ɑ_z进行积分校准，并获得校准后的旋转角度ɑ_x(t)、ɑ_y(t)、ɑ_z(t)，其公式如下：

ɑ_x(t)＝ɑ_x+(ɑ_xa-ɑ_x)*dt*0.1；

ɑ_y(t)＝ɑ_y+(ɑ_yb-ɑ_y)*dt*0.1；

ɑ_z(t)＝ɑ_z+(ɑ_za-ɑ_z)*dt*0.1。

作为一种优选方案，所述归一化处理包括如下步骤：

根据x轴方向上的加速度值和z轴方向上的加速度值，计算加速度z轴角度ɑ_za，其公式为：ɑ_za＝-(atan2f(a_x，a_z))；

根据y轴方向上的加速度值和z轴方向上的加速度值，计算加速度x轴角度ɑ_xa，其公式为：ɑ_xa＝+(atan2f(a_y，a_z))。

本发明的有益效果在于：

本发明可以通过智能鞋实现对用户的脚部姿态进行实时监测，进而根据脚部姿态智能设备作出相应的指令，用户无需通过遥控器对智能设备进行操控，解放双手，方便用户使用，用户体验效果更佳。

附图说明

图1是本发明的基于脚部姿态交互的控制方法的流程框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步地详细描述。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作出创造性劳动的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。

请参阅图1所示，本发明关于一种基于脚部姿态交互的控制方法，包括如下步骤：

S10、传感器组件采集穿戴者的脚部姿态数据；

S20、主控制器根据脚部姿态数据处理成相对应的指令信号，并将相应的指令信号传送至智能设备；

S30、智能设备根据指令信号作出相应的指令操作。

本发明可以通过智能鞋实现对用户的脚部姿态进行实时监测，进而根据脚部姿态智能设备作出相应的指令，用户无需通过遥控器对智能设备进行操控，解放双手，方便用户使用，用户体验效果更佳。

在本发明中，要实现该方法还需要包括智能鞋和智能设备，智能鞋包括鞋体、传感器组件、电源组件、主控制器和副控制器，传感器组件包括陀螺仪、地磁传感器和加速度计；鞋体包括左鞋和右鞋，左鞋和右鞋内分别单独装有传感器组件和电源组件，主控制器装设在左鞋，而副控制器相应装在右鞋，电源组件和传感器组件分别与主控制器/副控制器组件电连接。电源组件为主控制器、副控制器及传感器组件供电，传感器组件可检测左鞋和右鞋的姿态，并根据左鞋和右鞋的不同姿态，增加了不同的处理指令。

另外，主控制器/副控制器均具有通信模块和处理模块，处理模块用于处理传感器组件的数据转换，通信模块用于连接智能设备；其中主控器的通信模块与智能设备通信连接，而副控制器的通信模块可以选择性跟主控器通信连接，或者跟智能设备通信连接。

本发明使用Nordic公司的NRF52832作为主控制器、运算器及蓝牙连接主控，使用锂离子电池进行供电，使用无线充电线圈进行充电。外挂了地磁传感器，加速度计以及陀螺仪，用于计算鞋子在运动过程中的姿态。当匹配到确定的姿态时，通过蓝牙和智能设备进行通信。

而本发明的地磁传感器为矽睿科技生产的QMC6310芯片，是用于检测地球磁力的传感器，该芯片来检测鞋子的方向；而加速度计、陀螺仪为集成芯片，是invensense公司生产的MPU6050芯片，通过该芯片可以获取当前鞋子的三个加速度分量和三个旋转角速度。这两个芯片都通过IIC接口与主控制器进行连接，主控制器获取传感器感应到的方向数据及加速度和旋转角速度以计算姿态类型。

另外，MPU6050芯片集成了3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计，对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250、±500、±1000、±2000°/秒(dps)，加速度计可测范围为±2、±4、±8、±16g。

在S10步骤中，传感器组件采集穿戴者的脚步姿态数据的步骤如下：

S11、传感器组件采集左脚的脚步姿态数据，并将该数据发送至副控制器；

S12、传感器组件采集右脚的脚步姿态数据，并将该数据发送至主控制器。

在步骤S11和S12中，脚步姿态数据的采集方法包括如下步骤：

S101、陀螺仪获取鞋子在x、y、z三轴方向上的旋转角速度，分别为ω_x、ω_y、ω_z；

S102、将旋转角速度ω_x、ω_y、ω_z对时间积分计算出陀螺仪当下时刻在x、y、z三轴方向上的旋转角度ɑ_x、ɑ_y、ɑ_z，其计算公式如下：

其中，ɑ_x0、ɑ_y0、ɑ_z0表示陀螺仪上一时刻在x、y、z三轴方向上的旋转角度，初始值均为0，dt数值为0.002s；

S103、地磁传感器获取鞋子在x、y、z三轴方向上的地磁分量，分别为b_x、b_y、b_z，根据公式ɑ_yb＝atan2f(b_y，b_x)获得地磁y轴角度ɑ_yb；

S104、加速度计获取鞋子在x、y、z三轴方向上的加速度，分别为a_x、a_y、a_z，对加速度a_x、a_y、a_z做归一化处理，获得加速度z轴角度ɑ_za和加速度x轴角度ɑ_xa；即：

根据x轴方向上的加速度值和z轴方向上的加速度值，计算加速度z轴角度ɑ_za，其公式为：ɑ_za＝-(atan2f(a_x，a_z))；

根据y轴方向上的加速度值和z轴方向上的加速度值，计算加速度x轴角度ɑ_xa，其公式为：ɑ_xa＝+(atan2f(a_y，a_z))

S105、利用地磁y轴角度ɑ_yb、加速度z轴角度ɑ_za和加速度x轴角度ɑ_xa对陀螺仪在x、y、z三轴方向上的旋转角度ɑ_x、ɑ_y、ɑ_z进行积分校准，并获得校准后的旋转角度ɑ_x(t)、ɑ_y(t)、ɑ_z(t)，其公式如下：

ɑ_x(t)＝ɑ_x+(ɑ_xa-ɑ_x)*dt*0.1；

ɑ_y(t)＝ɑ_y+(ɑ_yb-ɑ_y)*dt*0.1；

ɑ_z(t)＝ɑ_z+(ɑ_za-ɑ_z)*dt*0.1。

S106、根据旋转角度ɑ_x获得鞋体的前后俯仰的数据；根据旋转角度ɑ_y获得鞋体的水平旋转的数据；根据旋转角度ɑ_z获得鞋体的左右翻滚的数据。

在上述步骤中，脚步姿态数据包括水平旋转、前后俯仰和左右翻滚三种数据，其根据旋转角度ɑ_x(t)、ɑ_y(t)、ɑ_z(t)判断数据的原理为：

当两只鞋子静止时，它们的旋转角度ɑ_x(t)、ɑ_y(t)、ɑ_z(t)基本相同，如果左鞋/右鞋的ɑ_y(t)发生60度的变化，便可以识别为：水平旋转；

当两只鞋子静止时，它们的旋转角度ɑ_x(t)、ɑ_y(t)、ɑ_z(t)基本相同，如果左鞋/右鞋的ɑ_x(t)发生60度的变化，便可以识别为：前后俯仰；

当两只鞋子静止时，它们的旋转角度ɑ_x(t)、ɑ_y(t)、ɑ_z(t)基本相同，如果左鞋/右鞋的ɑ_z(t)发生60度的变化，便可以识别为：左右翻滚。

根据左脚水平旋转、左脚前后俯仰、左脚左右翻滚、右脚水平旋转、右脚前后俯仰、右脚左右翻滚、双脚水平旋转、双脚前后俯仰和双脚左右翻滚可以做出9种不同的控制指令。

在S20步骤中，其步骤包括：

S21、副控制器将左脚的脚步姿态数据处理成相应的指令信号；

S22、主控制器将右脚的脚步姿态数据处理成相应的指令信号；

S23、副控制器将左脚相对应的指令信号发送至智能设备，主控制器将右脚相对应的指令信号发送至智能设备；

或者，副控制器将左脚相对应的指令信号发送至主控制器，主控制器将左脚和右脚相对应的指令信号发送至智能设备。

下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，需要再次说明的是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例一

在本实施例中，智能设备为电脑，通过智能鞋来识别脚部姿态给连接的电脑发送的指令，此时主要用于PPT演示说明。

当左鞋静止，右鞋右旋转大于60度，然后轻踏2次，此时电脑进行“上键按下”指令，翻上一页；

当右鞋静止，左鞋左旋转大于60度，然后轻踏2次，此时电脑进行“下键按下”指令，翻下一页；

当右鞋静止，左鞋左旋转大于60度，然后轻踏2次，

或者

左鞋静止，右鞋右旋转大于60度，然后轻踏2次，此时电脑进行“空格键按下”指令，下一步操作。

实施例二

在本实施例中，智能设备为音箱，通过智能鞋来识别脚部姿态给连接的音箱进行音乐播放操作。

当左鞋静止，右鞋右旋转大于60度，然后回到初始位置，此时音箱播放音乐；

当右鞋静止，左鞋左旋转大于60度，然后回到初始位置，此时音箱暂停播放；

当左鞋静止，右鞋右旋转大于60度，然后轻踏2次，此时音箱播放下一首歌曲；

当右鞋静止，左鞋左旋转大于60度，然后轻踏2次，此时音箱播放上一首歌曲；

当左鞋静止，右鞋右旋转大于60度，然后掂脚尖1次，此时音箱增大音量；

当右鞋静止，左鞋左旋转大于60度，然后掂脚尖1次，此时音箱减小音箱。

实施例三

在本实施例中，智能设备为手机，通过智能鞋来识别脚部姿态连接的手机发送的指令，此时主要用于手机的音乐播放和来电的处理。在实施例二的基础上，增加了如下两个指令：

当左鞋静止，右鞋右旋转大于60度然后回到初始位置，此时手机接听来电；

当右鞋静止，左鞋左旋转大于60度然后回到初始位置，此时手机拒绝来电。

以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于脚部姿态交互的控制方法，其特征在于：包括智能鞋和智能设备，所述智能鞋包括鞋体及装设在鞋体内的传感器组件和主控制器；

该控制方法包括如下步骤：

所述传感器组件采集穿戴者的脚部姿态数据；

所述主控制器根据脚部姿态数据处理成相对应的指令信号，并将相应的指令信号传送至所述智能设备；

所述智能设备根据指令信号作出相应的指令操作。

2.根据权利要求1所述的基于脚部姿态交互的控制方法，其特征在于，所述智能鞋还包括副控制器，所述副控制器和主控制器分别独立装设在两只鞋体内；所述传感器组件采集穿戴者的脚步姿态数据的步骤如下：

所述传感器组件采集左脚的脚步姿态数据，并将该数据发送至所述副控制器；

所述传感器组件采集右脚的脚步姿态数据，并将该数据发送至所述主控制器。

3.根据权利要求2所述的基于脚部姿态交互的控制方法，其特征在于：所述副控制器将左脚的脚步姿态数据处理成相应的指令信号，并将该指令信号传送至主控制器；所述主控制器将右脚的脚步姿态数据处理成相应的指令信号，所述主控制器将左脚和右脚相对应的指令信号发送至所述智能设备。

4.根据权利要求2所述的基于脚部姿态交互的控制方法，其特征在于：所述副控制器将左脚的脚步姿态数据处理成相应的指令信号，并将该指令信号发送至所述智能设备。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于脚部姿态交互的控制方法，其特征在于：所述脚步姿态数据包括水平旋转、前后俯仰和左右翻滚三种数据。

6.根据权利要求5所述的基于脚部姿态交互的控制方法，其特征在于，所述传感器组件包括陀螺仪；所述脚步姿态数据的采集方法包括如下步骤：

陀螺仪获取鞋子在x、y、z三轴方向上的旋转角速度，分别为ω_x、ω_y、ω_z；

将旋转角速度ω_x、ω_y、ω_z对时间积分计算出陀螺仪当下时刻在x、y、z三轴方向上的旋转角度ɑ_x、ɑ_y、ɑ_z；

根据旋转角度ɑ_x获得鞋体的前后俯仰的数据；

根据旋转角度ɑ_y获得鞋体的水平旋转的数据；

根据旋转角度ɑ_z获得鞋体的左右翻滚的数据。

7.根据权利要求6所述的基于脚部姿态交互的控制方法，其特征在于，所述旋转角速度ω_x、ω_y、ω_z对时间积分计算出旋转角度ɑ_x、ɑ_y、ɑ_z的公式如下：

其中，ɑ_x0、ɑ_y0、ɑ_z0表示陀螺仪上一时刻在x、y、z三轴方向上的旋转角度，初始值均为0，dt数值为0.002s。

8.根据权利要求7所述的基于脚部姿态交互的控制方法，其特征在于：所在所述旋转角速度ω_x、ω_y、ω_z对时间积分计算出旋转角度ɑ_x、ɑ_y、ɑ_z的公式后，还需要对旋转角度ɑ_x、ɑ_y、ɑ_z进行积分校准。

9.根据权利要求8所述的基于脚部姿态交互的控制方法，其特征在于，所述传感器组件还包括地磁传感器和加速度计；所述积分校准的步骤包括：

地磁传感器获取鞋子在x、y、z三轴方向上的地磁分量，分别为b_x、b_y、b_z；

根据公式ɑ_yb＝atan2f(b_y，b_x)获得地磁y轴角度ɑ_yb；

加速度计获取鞋子在x、y、z三轴方向上的加速度，分别为a_x、a_y、a_z；

对加速度a_x、a_y、a_z做归一化处理，获得加速度z轴角度ɑ_za和加速度x轴角度ɑ_xa；

利用地磁y轴角度ɑ_yb、加速度z轴角度ɑ_za和加速度x轴角度ɑ_xa对陀螺仪在x、y、z三轴方向上的旋转角度ɑ_x、ɑ_y、ɑ_z进行积分校准，并获得校准后的旋转角度ɑ_x(t)、ɑ_y(t)、ɑ_z(t)，其公式如下：

ɑ_x(t)＝ɑ_x+(ɑ_xa-ɑ_x)*dt*0.1；

ɑ_y(t)＝ɑ_y+(ɑ_yb-ɑ_y)*dt*0.1；

ɑ_z(t)＝ɑ_z+(ɑ_za-ɑ_z)*dt*0.1。

10.根据权利要求9所述的基于脚部姿态交互的控制方法，其特征在于，所述归一化处理包括如下步骤：

根据x轴方向上的加速度值和z轴方向上的加速度值，计算加速度z轴角度ɑ_za，其公式为：ɑ_za＝-(atan2f(a_x，a_z))；

根据y轴方向上的加速度值和z轴方向上的加速度值，计算加速度x轴角度ɑ_xa，其公式为：ɑ_xa＝+(atan2f(a_y，a_z))。

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