CN218458570U - 一种运动数据采集设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种运动数据采集设备。该设备包括主节点模块和至少一个次节点模块，主节点模块包括卫星定位接收机、气压高度计、9轴传感器和数据存储单元，次节点模块包括9轴传感器，主节点模块安在被测对象主节点位置，对于每一个次节点模块，该次节点模块安在被测对象次节点位置，与主节点模块相连接，主节点模块用于采集被测对象主节点位置的运动数据，且通过数据存储单元对主节点模块采集的运动数据保存；次节点模块用于采集被测对象次节点位置的运动数据，并将采集的运动数据发给主节点模块，使得主节点模块通过数据存储单元对次节点模块采集的运动数据保存。本实用新型能实现大场景、高动态下的动作捕捉，为训练提供大量动作数据。

Description

一种运动数据采集设备

技术领域

本实用新型属于训练数据采集技术领域，尤其涉及一种运动数据采集设备。

背景技术

目前，随着全民运动的发展，运动爱好者的数量逐渐增加，许多非专业运动初学者和爱好者迫切需要一种装备，将自己运动训练过程中的动作记录下来，用于后续分析动作和规范动作，避免因为不规范动作，造成不必要的受伤。

例如，由于北京冬奥会的开办，越来越多的运动爱好者爱上了滑雪运动，有这项运动的危险性和不确定性，就需要一种装备来分析和规范动作。现在的动作捕捉装备主要是是基于光学的动作捕捉方法实现的，通过光学设备捕捉粘贴在被测对象身上的光学标志，根据这些光学标志成像位置来推测被测对象的动作，从而实现被测对象的动作捕捉。但是该方法通常要求被测对象一直在光学设备的视线内，并且运动过程中不能被遮挡，所以基于光学的动作捕捉的装备通常应用在距离不太远的小场景中，不适合滑雪运动这种在大场景且环境较为复杂的情况。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种运动数据采集设备，以解决现有技术中由于运动数据采集设备运动场景受限，导致无法在大场景、高动态条件下进行动作捕捉，造成运动数据采集困难的问题。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种运动数据采集设备，包括：

该设备包括主节点模块和至少一个次节点模块，所述主节点模块包括卫星定位接收机、气压高度计、9轴传感器和数据存储单元，所述次节点模块包括9 轴传感器，所述主节点模块固定于被测对象的主节点位置，对于每一个次节点模块，该次节点模块固定于所述被测对象的次节点位置，且与所述主节点模块相连接，该设备用于：

所述主节点模块，用于采集所述被测对象的主节点位置的运动数据，并且通过所述数据存储单元对所述主节点模块采集的运动数据进行保存；

所述次节点模块，用于采集所述被测对象的次节点位置的运动数据，并将采集的运动数据发送至所述主节点模块，以使得所述主节点模块通过所述数据存储单元对所述次节点模块采集的运动数据进行保存。

在一个实施例中，所述9轴传感器包括3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁强计。

在一个实施例中，在所述主节点模块中，所述卫星定位接收机、所述3轴加速度计和所述3轴陀螺仪用于采集所述被测对象主节点位置的经纬度数据、加速度数据和角速度数据；

所述气压高度计用于采集所述被测对象主节点位置的高度数据；

所述3轴磁强计用于采集所述被测对象主节点位置的地磁矢量，得到所述被测对象主节点位置的航向角数据，所述主节点模块采集的运动数据包括所述被测对象主节点位置的经纬度数据、加速度数据、角速度数据、高度数据和航向角数据。

在一个实施例中，对于每个次节点模块，该次节点模块的3轴加速度计用于采集所述被测对象该次节点位置的加速度数据，该次节点模块的3轴陀螺仪用于采集所述被测对象该次节点位置的角速度数据，该次节点模块的3轴磁强计用于采集所述被测对象该次节点位置的地磁矢量来得到所述被测对象该次节点位置的航向角数据，以使得根据主节点的经纬度数据、加速度数据、角速度数据、高度数据和航向角数据和次节点的加速度数据、角速度数据和航向角数据得到所述被测对象的姿态数据。

在一个实施例中，该设备包括一个主节点模块和十个次节点模块，所述主节点模块位于所述被测对象的腰部，所述十个次节点模块分别位于所述被测对象的两个肩部、两个上臂中间位置、两个前臂中间位置、两个大腿中间位置和两个小腿中间位置。

在一个实施例中，对于所述被测对象的一条手臂，所述被测对象主节点模块和该手臂肩部位置的次节点模块所采集的运动数据用于确定该手臂肩部关节的运动数据，该手臂肩部位置关节的运动数据和该手臂上臂中间位置的次节点模块所采集的运动数据用于确定该手臂肘部关节的运动数据；

对于所述被测对象的一条腿，被测对象主节点模块和该腿大腿中间位置的次节点模块所采集的运动数据用于确定该腿膝部关节的运动数据。

在一个实施例中，所述设备用于：

在所述被测对象保持预设静止姿态下，对于所述主节点模块和多个次节点模块中的每个节点模块，该节点模块通过9轴传感器采集预设时长传感数据，得到该节点模块所对应节点的静态数据，该节点的静态数据用于确定该节点的测量坐标系与预设地理坐标系之间的映射关系。

在一个实施例中，对于每个次节点模块，该次节点模块与所述主节点模块通过有线通信方式相连接，所述有线通信方式包括通过预设类型的数据传输协议使用总线通讯方式进行连接，或者，该次节点模块与所述主节点模块通过预设类型的无线通信方式相连接。

在一个实施例中，所述有线通信方式连接包括：

通过所述被测对象的左肩位置、左上臂位置和左前臂位置的次节点模块相连接组成第一路总线；

通过所述被测对象的右肩位置、右上臂位置和右前臂位置的次节点模块相连接组成第二路总线；

通过所述被测对象的左大腿位置和左小腿位置的次节点模块相连接组成第三路总线；

通过所述被测对象的右大腿位置和右小腿位置的次节点模块相连接组成第四路总线；

将所述第一路总线、所述第二路总线、所述第三路总线和所述第四路总线分别与所述主节点模块进行有线通信连接。

在一个实施例中，所述主节点模块中还包括供电单元；

对于每个次节点模块，若该次节点模块通过无线通信方式与所述主节点模块相连接，则该次节点模块还包括供电单元。

本实用新型实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本实用新型实施例提供一种运动数据采集设备，便于穿戴，气压高度计可以测量高海拔高度数据，9轴传感器中的3轴磁强计可以测量地磁矢量，提供较为准确的航向角数据，再通过卫星定位接收机，使该运动数据采集设备在采集数据时没有场景和运动状态的限制，运用多种传感器信息融合实现了大场景、高动态条件下的动作捕捉，为滑雪训练提供大量的动作数据，以便为以后的动作分析和动作规范提供数据保障。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例所提供的运动数据采集设备的结构示意图；

图2是本实用新型实施例所提供的运动数据采集设备的穿戴结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，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，都应当属于本方案保护的范围。

本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

以下结合具体附图对本实用新型的实现进行详细的描述：

实施例：

图1示出了本实用新型实施例提供的一种运动数据采集设备的结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种运动数据采集设备，该设备包括主节点模块和至少一个次节点模块，主节点模块包括卫星定位接收机、气压高度计、9轴传感器和数据存储单元，次节点模块包括9轴传感器，主节点模块固定于被测对象的主节点位置，对于每一个次节点模块，该次节点模块固定于被测对象的次节点位置，且与主节点模块相连接，该设备用于：

所述主节点模块，用于采集被测对象的主节点位置的运动数据，并且通过数据存储单元对主节点模块采集的运动数据进行保存。

其中，图1是仅示例性的描述出该设备的一个主节点模块和一个次节点模块，但该设备中包括多个次节点模块，对此就不在赘述。

然后，9轴传感器包括3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁强计，主节点模块还包括供电单元。

在主节点模块中，卫星定位接收机用于采集被测对象主节点位置的经纬度数据，气压高度计用于采集被测对象主节点位置的高度数据，弥补了卫星定位接收机测量海拔高度精度不高的问题，3轴加速度计用于采集被测对象主节点位置的加速度数据，3轴陀螺仪用于采集被测对象主节点位置的角速度数据，3 轴磁强计用于采集被测对象主节点位置的地磁矢量，从而得到被测对象主节点位置的航向角数据，则主节点模块采集的运动数据包括被测对象主节点位置的经纬度数据、加速度数据、角速度数据、高度数据和航向角数据。

在实用新型中，卫星定位接收机可以包括多种选择，比如可以是GPS接收机、北斗卫星定位接收机或者是多模的卫星定位接收机，在本实施例中对卫星定位接收机就不再限定。

其中一种实现方式，该设备包括一个主节点模块和十个次节点模块，主节点模块位于被测对象的腰部，十个次节点模块分别位于被测对象的两个肩部、两个上臂中间位置、两个前臂中间位置、两个大腿中间位置和两个小腿中间位置，具体参照图2，这只是该设备的一种呈现方式，还包括可能是只需要测量被测对象的手臂姿态，则只需要一个主节点模块和两个肩部、两个前臂中间位置和两个上臂中间位置的次节点模块即可，对此就不再赘述。

则对于被测对象的一条手臂，被测对象主节点模块和该手臂肩部位置的次节点模块所采集的运动数据用于确定该手臂肩部关节的运动数据，该手臂肩部位置关节的运动数据和该手臂上臂中间位置的次节点模块所采集的运动数据用于确定该手臂肘部关节的运动数据；

对于被测对象的一条腿，被测对象主节点模块和该腿大腿中间位置的次节点模块所采集的运动数据用于确定该腿膝部关节的运动数据。

例如参照图2，对于被测对象的一条右手臂来说，被测对象主节点模块200 和该手臂肩部位置的次节点模块201所采集的运动数据来确定该手臂右肩部关节的运动数据，该手臂肩部位置关节的运动数据和该手臂上臂中间位置的次节点模块203所采集的运动数据来确定该手臂右肘关节的运动数据；

对于被测对象的一条右腿来说，被测对象主节点模块200和该右腿大腿中间位置的次节点207模块所采集的运动数据用于确定该右腿膝部关节的运动数据。

在开始采集被测对象的运动数据前，需要进行如下操作：

在被测对象保持预设静止姿态下，对于主节点模块和多个次节点模块中的每个节点模块，该节点模块通过9轴传感器采集预设时长传感数据，得到该节点模块所对应节点的静态数据，该节点的静态数据用于确定该节点的测量坐标系与预设地理坐标系之间的映射关系，其中，预设地理坐标系，是通过让被测对象保持预设初始姿态，采集并保存预设时长的该节点模块的9轴传感器的初始静态数据，以此时的静态数据作为预设地理坐标系；

该映射关系通过一个方向余弦矩阵来确定，则通过第一公式确定主节点测量坐标系通过使用方向余弦矩阵到地理坐标，第一公式为

其中，p^g为地理坐标系中的矢量，p^m为该矢量在测量数据坐标系中的表示，

为测量数据坐标系到地理数据坐标系转换的方向余弦矩阵；

其中一种具体的实现方式是，通过第二公式来确定主节点测量坐标系通过使用方向余弦矩阵到地理坐标，第二公式为

其中，g为地理数据坐标系中的重力加速度矢量，m^g为地理数据坐标系中的地磁矢量，f^m为被测对象初始姿态时测量的比力矢量，m^m为被测对象初始姿态时测量的磁场矢量；

还可以通过其他的方式进行确定该方向余弦矩阵，比如通过主节点的姿态角确定，对此就不在赘述。

例如，根据上述描述，确定该手臂右肩部关节的运动数据过程：

首先，通过第三公式确定该手臂右肩次节点位置的加速度，第三公式为

其中，

为该手臂右肩次节点位置的加速度，a_m为被测对象主节点位置的加速度，

为该手臂次节点位置的角速度，

为被测对象主节点位置到该手臂右肩次节点位置的空间位置矢量；

然后，通过第四公式确定该手臂右大臂次节点位置的加速度，第四公式为

其中，

为该手臂右大臂次节点位置的加速度，

为该手臂右肩次节点位置的加速度，

为该手臂右大臂次节点位置的角速度，

为该手臂右肩次节点位置到右大臂次节点位置的空间位置矢量；

再者，通过第五公式确定该手臂右大臂次节点位置的比力矢量，第五公式为

f_ni＝a_ni-g

其中，f_ni为该手臂右大臂次节点位置的比力矢量，a_ni为该手臂右大臂次节点位置的加速度矢量，g为被测对象所处环境的重力加速度矢量；

最后，根据该手臂右大臂次节点位置的地磁矢量和比力矢量得到该次节点的姿态误差，通过该手臂右大臂次节点位置的姿态角减去该手臂右大臂次节点位置的姿态误差得到该手臂右大臂次节点位置的姿态数据。

若主节点模块与次节点模块通过有线通信方式相连接时，该有线通信方式包括通过预设类型的数据传输协议使用总线通讯方式进行连接，本实施例中预设类型的数据传输协议包括TCP/IP、NetBEUI、DHCP、FTP，但不限于此，具体就不再赘述，参照图2：

通过被测对象的左肩位置、左上臂位置和左前臂位置的次节点模块202、204和206相连接组成第一路总线；

通过被测对象的右肩位置、右上臂位置和右前臂位置的次节点模块201、 203和205相连接组成第二路总线；

通过被测对象的左大腿位置和左小腿位置的次节点模块208和210相连接组成第三路总线；

通过被测对象的右大腿位置和右小腿位置的次节点模块207和209相连接组成第四路总线；

将第一路总线、第二路总线、第三路总线和第四路总线分别与主节点模块 200进行有线通信连接。

若主节点模块与次节点模块通过预设类型的无线通信方式相连接，本实施例中预设类型的无线通信方式包括WIFI(IEEE802.11协议)、Mesh、蓝牙、 ZigBee/802.15.4协议、Thread/802.15.4协议、NFC，但不仅限于此，这时，使用无线通信方式相连接时，次节点模块除了一个9轴传感器外，还需要供电单元，将采集到的数据按照无线通信方式或者有线通信方式保存到主节点模块中的存储卡中。

所述次节点模块，用于采集被测对象的次节点位置的运动数据，并将采集的运动数据发送至主节点模块，以使得主节点模块通过数据存储单元对次节点模块采集的运动数据进行保存。

其中，对于每个次节点模块，该次节点模块的3轴加速度计用于采集被测对象该次节点位置的加速度数据，该次节点模块的3轴陀螺仪用于采集被测对象该次节点位置的角速度数据，该次节点模块的3轴磁强计用于采集被测对象该次节点位置的地磁矢量来得到被测对象该次节点位置的航向角数据，以使得根据主节点的经纬度数据、加速度数据、角速度数据、高度数据和航向角数据和次节点的加速度数据、角速度数据和航向角数据得到被测对象的姿态数据，将采集的运动数据通过主节点模块的存储卡进行保存。

本实用新型实施例提供一种运动数据采集设备，便于穿戴，气压高度计可以测量高海拔高度数据，9轴传感器中的3轴磁强计可以测量地磁矢量，提供较为准确的航向角数据，再通过卫星定位接收机，使该运动数据采集设备在采集数据时没有场景和运动状态的限制，运用多种传感器信息融合实现了大场景、高动态条件下的动作捕捉，为滑雪训练提供大量的动作数据，以便为以后的动作分析和动作规范提供数据保障。

以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种运动数据采集设备，其特征在于，该设备包括主节点模块和至少一个次节点模块，所述主节点模块包括卫星定位接收机、气压高度计、9轴传感器和数据存储单元，所述次节点模块包括9轴传感器，所述主节点模块固定于被测对象的主节点位置，对于每一个次节点模块，该次节点模块固定于所述被测对象的次节点位置，且与所述主节点模块相连接，该设备用于：

所述主节点模块，用于采集所述被测对象的主节点位置的运动数据，并且通过所述数据存储单元对所述主节点模块采集的运动数据进行保存；

所述次节点模块，用于采集所述被测对象的次节点位置的运动数据，并将采集的运动数据发送至所述主节点模块，以使得所述主节点模块通过所述数据存储单元对所述次节点模块采集的运动数据进行保存；

其中，所述9轴传感器包括3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁强计。

2.根据权利要求1所述的运动数据采集设备，其特征在于，在所述主节点模块中，所述卫星定位接收机、所述3轴加速度计和所述3轴陀螺仪用于采集所述被测对象主节点位置的经纬度数据、加速度数据和角速度数据；

所述气压高度计用于采集所述被测对象主节点位置的高度数据；

所述3轴磁强计用于采集所述被测对象主节点位置的地磁矢量，得到所述被测对象主节点位置的航向角数据，所述主节点模块采集的运动数据包括所述被测对象主节点位置的经纬度数据、加速度数据、角速度数据、高度数据和航向角数据。

3.根据权利要求2所述的运动数据采集设备，其特征在于，对于每个次节点模块，该次节点模块的3轴加速度计用于采集所述被测对象该次节点位置的加速度数据，该次节点模块的3轴陀螺仪用于采集所述被测对象该次节点位置的角速度数据，该次节点模块的3轴磁强计用于采集所述被测对象该次节点位置的地磁矢量来得到所述被测对象该次节点位置的航向角数据，以使得根据主节点的经纬度数据、加速度数据、角速度数据、高度数据和航向角数据和次节点的加速度数据、角速度数据和航向角数据得到所述被测对象的姿态数据。

4.根据权利要求1至3任一项所述的运动数据采集设备，其特征在于，该设备包括一个主节点模块和十个次节点模块，所述主节点模块位于所述被测对象的腰部，所述十个次节点模块分别位于所述被测对象的两个肩部、两个上臂中间位置、两个前臂中间位置、两个大腿中间位置和两个小腿中间位置。

5.根据权利要求4所述的运动数据采集设备，其特征在于，对于所述被测对象的一条手臂，所述被测对象主节点模块和该手臂肩部位置的次节点模块所采集的运动数据用于确定该手臂肩部关节的运动数据，该手臂肩部位置关节的运动数据和该手臂上臂中间位置的次节点模块所采集的运动数据用于确定该手臂肘部关节的运动数据；

对于所述被测对象的一条腿，被测对象主节点模块和该腿大腿中间位置的次节点模块所采集的运动数据用于确定该腿膝部关节的运动数据。

6.根据权利要求4所述的运动数据采集设备，其特征在于，所述设备用于：

在所述被测对象保持预设静止姿态下，对于所述主节点模块和多个次节点模块中的每个节点模块，该节点模块通过9轴传感器采集预设时长传感数据，得到该节点模块所对应节点的静态数据，该节点的静态数据用于确定该节点的测量坐标系与预设地理坐标系之间的映射关系。

7.根据权利要求1所述的运动数据采集设备，其特征在于，对于每个次节点模块，该次节点模块与所述主节点模块通过有线通信方式相连接，所述有线通信方式包括通过预设类型的数据传输协议使用总线通讯方式进行连接，或者，该次节点模块与所述主节点模块通过预设类型的无线通信方式相连接。

8.根据权利要求7所述的运动数据采集设备，其特征在于，所述有线通信方式连接包括：

通过所述被测对象的左肩位置、左上臂位置和左前臂位置的次节点模块相连接组成第一路总线；

通过所述被测对象的右肩位置、右上臂位置和右前臂位置的次节点模块相连接组成第二路总线；

通过所述被测对象的左大腿位置和左小腿位置的次节点模块相连接组成第三路总线；

通过所述被测对象的右大腿位置和右小腿位置的次节点模块相连接组成第四路总线；

将所述第一路总线、所述第二路总线、所述第三路总线和所述第四路总线分别与所述主节点模块进行有线通信连接。

9.根据权利要求7所述的运动数据采集设备，其特征在于，所述主节点模块中还包括供电单元；

对于每个次节点模块，若该次节点模块通过无线通信方式与所述主节点模块相连接，则该次节点模块还包括供电单元。

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