基于加速度传感器的人体运动信息采集系统设计

基于加速度传感器的人体运动信息采集系统设计

毕业设计说明书基于加速度传感器的人体运动信息采集系统设计学生姓名：学号：学院：专业：指导教师：2012年6月\n基于加速度传感器的人体运动信息采集系统设计摘要人类运动与人体健康息息相关，一直以来受到人们的广泛关注，随着运动生物力学、人体测量学的发展，人们对人体运动的研究日益深入。本文以运动生物力学理论为基础，对人体运动参数的测量和分析方法进行了研究，主要目的在于探索运动生物力学参数之间的关系，通过运动生物力学参数的测量、分析揭示人体运动的规律，在人体姿态识别、体育训练等方面提供理论指导。在对人体结构及人体运动的特点进行了介绍和总结的基础上，为了便于人体运动研究，建立了人体运动的棒状模型及便于分析计算的人体坐标系。通过对常用人体运动参数测量方法的分析，提出了利用加速度参数进行运动测量和分析的方法。应用加速度传感器实现了对肢体运动的测量，并利用加速度参数与速度、位移等参数之间的数学关系实现了对其它运动参数的求解，从而对人体运动的姿态、动作轨迹等进行分析。自行设计了运动采集系统，系统分为信号采集单元与数据处理单元两个部分，以ARM7、三轴加速度计ADXL330为核心，可实现最多5个传感器网络节点的信息采集及数据分析。在对系统完成性能测试的基础上进行了运动测量的实验，并将其应用到电脑游戏的控制中进行可靠性的测试，实验结果验证了利用运动信息采集系统对人体运动信息进行采集和分析的方法是可行的。利用加速度参数对人体简单运动进行分析的方法方便可行，但在复杂运动的分析中，则需要更多的信息进行综合分析。因此，对于人体运动的研究，应综合多种方法，尽可能获取更多的信息，以使得人体运动分析更加科学、合理。关键词：运动生物力学，人体模型，运动信息采集，加速度传感器，运动测量\nDesignofHumanMotionInformationCollectionSystemBasedonAccelerationSensorABSTRACTHumanhasalwayspaidbroadattentiontobodymotionrelatingclosetohumanhealth.Withthedevelopmentofmotionbiomechanicsandanthropometry,peoplehaveincreasinglydeeplystudiedhumanbodymotion.Thepaperfocusesonthemeasurementofbodymotionparametersandanalysismethodofbodymotionbasedonthetheoryofmotionbiomechanics.Thecontentsinvolvethestudyontherelationshipbetweenparametersofmotionbiomechanics,theanalysisofthelawofbodymotionbymeasuringmotionbiomechanicsparameterstoprovidetheoreticalguidanceforrecognitionofhumangesture,physicaltraining,andsoon.Humanstructureandcharacteristicsofbodymotionareanalyzedandsummarized,onthebasisofwhichrodmodelandcoordinatesystemofhumanbodyarebuilttoprovideconvenienceforthestudyofbodymotion.Themethodofmeasuringbodymotionwithaccelerationsensorispresentedwiththeanalysisofcommonmeasurementmethodofbodymotionparameters.Themeasurementofextremityisperformedbyaccelerationsensor;othermotionparametersaresolvedbythemathematicalrelationshipbetweenaccelerationparameterandvelocity,displacement,etc..Thereby,motiongestureandactiontraceofhumanbodycanbeanalyzed.Asystemwhichconsistsofsignalcollectionunitanddataprocessingunitisdevelopedtocompletecollectionanddataanalysisfromthemotioninformationatmost5sensornetworknodesusingARM7andADXL330.Theexperimentsofmotionmeasurementaredoneonthebasisofperformingthetestingofsystemperformance,andthesystemisappliedincomputergameforthereliabilitytesting.Theresultsshowthatcollectingandanalyzingmotioninformationofhumanbodybythesystemisafeasiblemethod.Theanalysisofsimplebodymotionusingaccelerationparameterisaconvenientandfeasiblemethod.Butmoreinformationisrequiredtobeanalyzedsyntheticallyinthe\ncomplexmotion.Therefore,itisnecessaryforthestudyofbodymotiontosynthesizeavarietyofmethodsandobtainasmuchinformationaspossible,whichmakestheanalysisofbodymotionmorescientificandrational.KeyWords：Motionbiomechanics,Bodymotionmodel,Collectionofmotioninformation,Accelerationsensor,MotionMeasuremen\n清华大学2012届毕业设计说明书目录1绪论11．1课题研究的背景、目的和意义错误！未定义书签。1.1.1课题研究背景错误！未定义书签。1.1.2课程研究目的及意义错误！未定义书签。1．2人体运动信息采集及应用的发展与现状错误！未定义书签。1.2.1人类对人体运动研究的发展历程21.2.2人体运动信息的应用现状31.2.3有关人体运动信息研究的应用41．3论文的主要工作和章节安排52人体运动信息采集与分析的理论基础72．1运动生物力学的相关理论72.1.1运动生物力学的基本运动参数72.1.2运动生物力学的测量方法72．2人体生理结构及运动特点82.2.1人体关节、环节的运动82.2.2人体运动的特点82．3人体运动模型的建立92.3.1人体的棒状模型92.3.2人体运动坐标系的建立102．4小结123人体运动信息采集与分析的方法133．1人体运动信息采集的方法133.1.1光学测量方法133.1.2非电量电测法143.1.3肌电信号测量法143．2基于加速度传感器的运动信息采集与分析153．3小结16第II页共II页\n清华大学2012届毕业设计说明书4人体运动信息采集系统的设计184．1系统总体设计184．2系统硬件设计194.2.1信号采集单元电路设计194.2.2数据处理单元电路设计234．3系统软件设计284.3.1信号采集单元程序设计284.3.2数据处理单元程序设计304．4本章小结335结论34附录36参考文献37致谢39第II页共II页\n清华大学2012届毕业设计说明书1绪论1.1课题研究的背景、目的和意义1.1.1课题研究背景人类作为物质世界的一种生物体，理所当然是与运动密切相关的，现有科学技术也明确的告诉我们，物质的运动时绝对的，大到宏观世界宇宙间的天体、星系，小到微观世界的分子、离子、电子等，都是无时无刻不在运动。而人类也在社会的不断发展进步中，对运动的认识也在逐步深入，研究的范围也在不断拓展。随着时代的发展，当代的人们对健康的更加关注及需求，也推动着与其息息相关的人体运动研究的发展。从而使得人体运动测量学、人体运动生物力学等学科的研究也取得了巨大的进步。而且各种体育赛事已经深入到人类活动的每一个角落，体育竞技的强度也在不断提升，整个社会都在努力地寻求突破，需要掌握更多的人体运动信息，这也进一步促进了整个人类社会在这个领域的巨大投入。因此，对人体运动信息的研究也就成了现代科学研究的一项重要的学科，以人体的运动为研究对象，精确地获取人体在运动过程中位移、速度、加速度、力以及肌电信号等，并进行处理以及分析，是现代生物医学发展的重要推动力，也备受青睐及关注。1.1.2课程研究目的及意义在研究人体运动时，我们实际上把人体当做一个物质的合成体，通过人体的外部运动表现出来信息，去分析人体的内部运动，诸如脑部的运动：思维、决策等形成完成外部动作的指令的过程等。而且我们必须由外到内的去分析研究，分析两者之间的联系及纽带，这样才能更好地认识人体自身，获得足够的科学依据，来为人类社会的发展做出应有的贡献。总所周知，人体的构造十分的复杂，故而对人体运动学的研究也就要涉及的很多的学科，要找到这些学科如运动学、动力学、人体解剖学等诸多学科的交叉，采集人体运动信息，以及在各种力的作用下，人体内部器官系统力学与人体进行局部或者整体运动时，人体在时间和空间的位置，姿势、运动状态等的变化规律，继而进行分析研究[1]。在对人体运动信息的研究过程中第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书，最关键的一环就是对人体运动信息的检测和采集，而人体运动检测技术囊括了医学、物理学、数学、计算机科学等诸多学科，又与虚拟现实技术、建模技术、计算机动画技术、模式识别技术、人机交互技术、数据可视化技术、及传感器技术息息相关。相应的，人体运动学的应用领域也是十分的广阔，主要包括在以下几个领域[2]：医学保健领域，主要应用于对人体运动功能及损伤做出更直接有效地评估，分析受损原因，以利于更好地救治及预防[3]；体育领域，可以通过对运动员运动时所蕴藏的生物力学信息探测分析来塑造运动技术的标准模式，找到运动技术最佳的途径，从而改善训练的方式，使运动员能够在运动技术上有所突破，更有力地参与到竞技比赛中，获得更加优异的成绩；教育交流领域，可以通过对肢体语言所传达的信息去分析人体的内部活动，甚至可以解决与聋哑人的交流问题；虚拟现实领域，主要应用于人与虚拟现实环境的交互，将真实生活中的人体运动映射到虚拟环境。因此，对人体运动信息的采集无论是在理论研究还是实际应用中都有着非常广泛的应用和非常重大的意义。1.2人体运动信息采集及应用的发展与现状据人类现有的文字记载，早在公元前500年到300年，古希腊的哲学家己经有了描述分析人体运动的记载，但真正意义上的人体运动研究是和人体解剖学的完善及力学的发展分不开的。法国物理学家笛卡尔在17世纪初曾经尝试着将人体看作机器，并从纯力学的观点建立了一个十分复杂的人体结构模型，甚至包括神经系统的功能，其研究思想很有创造性和影响性，目前仍然有不少力学专家丰富这种理论分析方法并取得成就。与笛卡尔同时代的意大利解剖学家博雷利将解剖学和力学结合起来，比较系统地研究了动物和人体的运动，并完成了学术著作《论动物的运动》一书。至此，人体运动的研究基本处在力学原理性分析阶段。十九世纪末，意大利科学家列奥纳多·达·芬奇从人体解剖和力学的角度，研究了人体的各种姿势和运动，其中对人体步态的力学研究和近代人体运动学研究相仿，首先提出了“一切能够运动的生物体都遵循力学定律而运动”的重要观点。1.2.1人类对人体运动研究的发展历程第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书人体运动研究从力学原理性分析阶段进入实验测量阶段的早期学者是法国生理学家韦伯兄弟。他们在1836年用时钟计时的方法测量了人在走路过程中的时间空间特征，并得出了步速和身体支撑时间成反比关系的结论。他们的法国同行缪勒(G.Muller)用同样的方法测量了人体走和跑时下肢支撑期和摆动期的时间和比例关系，此时的人体运动测量手段应该说很简陋[4]。后来摄影影像技术的引入，使运动测量手段有了很大的飞跃。1877年，美国摄影师麦布里奇(E.Muybridge)用24台照相机拍摄了马奔跑的连续照片，后来他又拍摄了人体走、跑等动作的连续照片，并在1901年发表了专著《运动中的人体运动图像》，从而奠定了影像测量方法的基础。几年后，马勒(Maler)、德美尼(Demeni)等提出了运动轨迹定位照相法和连续光点照相法，这些方法直到现在仍被用来研究人体运动。20世纪30年代英国生理学家希尔(A.V.Hill)开展了关于肌力的研究，取青蛙的缝匠肌为试样，通过测量肌肉在缩短过程中的肌张力、肌肉缩短速度、肌肉产生的热量及肌肉维持痉挛状态所需的热量，并按照热力学第一定律建立了与实验结果一致的希尔方程。从此，人体运动生物力学的一个重要领域：肌力与肌肉的生理特性的相关研究逐渐发展起来。20世纪后半叶以来，计算机及电子技术的飞速发展以及传感技术、优化技术等智能分析技术的应用带来更为准确便捷的现代测量技术。继阿马尔(Amaer)研制了第一台两分量测力台，使运动生物力学进入在体动力学测量后，莱曼德(Reymond)在伽伐尼(Galvani)《论在肌肉运动中的电力》的基础上，创立了肌电测量技术。阿马尔和埃弗特曼(Elftman)基于人体运动效率，创立了力能学测量技术，后人从此技术进一步发展了肌力优化技术和能量优化技术。高速摄影技术、传感测量技术以及同步测量技术应用于运动生物力学的测量后，使得人体运动生物力学测量的研究进入了三维运动学和空间力学研究的层面上，为全面研究人体运动效能提供了良好的保证。与此同时，多刚体动力学和计算力学的在解决人体运动学问题的同时，获得了实验技术的支持。1.2.2人体运动信息的应用现状第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书以测量及同步测量技术为标志的现代运动生物力学测量技术，己经使得人体的运动测量可实现实时化、可视化以及三维空间范围内的测量分析。虽然现代测量技术为运动生物力学的发展提供了强有力的催化剂，但是我们应该认识到研究生物运动的力学问题，根本上取决于测量研究技术以及分析技术。学术界的研究者己经意识到现代测量技术应用于人体运动分析的局限性源于对人体运动力学的本质认识还不够深入。运动生物力学的测量技术还依赖于其他学科，如计算机技术、电子测量技术、人体生理学等相关学科的发展。当代高科技理论与技术对运动训练领域全面、深入的渗透和介入已成为当今竞平的体育训练和大赛中，运动员的整套动作都将被详细记录，用于赛后技体育发展的主要趋势。目前在体育训练中，有着相对成熟的训练规律和方法，但是人体的个体差异性较大，如何能够科学地运用这些规律就要求对运动员的训练要因人而异，这就要求对人体运动的相关信息进行尽可能详细的采集和分析[5][8]。国外将加速度传感器应用于体育训练的研究比较领先。较早有CarlijnV.C.Bouten等人，采用压阻式三轴加速度传感器测量人体运动加速度与能量消耗的关系。实现对人体在坐、行走等日常活动中运动加速度的测量，进而由实验获得加速度值与人体运动能量消耗的关系。从其测量结果分析来说，加速度值能反映被测人体一定的运动强度。利用加速度传感器输出值与人体站、坐、走、跑、跳、骑等日常生活运动能量消耗之间的关系，结合相关皮肤温度、心率等测量传感器，经相关算法软件分析及实验标定等[6]。这种设备能用于对运动员训练强度实时检测、分析，从而为运动员体能训练提供可行、准确、实时的测量，用以指导体能训练。国内也有很多单位在此方面进行了深入的研究，如西安市第四军医大学，生物医学工程系的焦纯、杨国胜等人利用三维加速度传感器设计并研制了一种训练强度监测仪[7]用于评估士兵训练状况和训练效率。在考虑人体运动加速度幅值、频率的有效范围下，为实现对静、稳态和动态激励都有较好的响应，其选用了具有频带宽、灵敏度高、内置防震装置、性价比较高的压阻式加速度传感器，即ICSENSOR公司生产的3个3031型单轴加速度传感器，并通过正交组合成三维加速度传感器，及相应的电路信号处理、运动数据记录与分析处理等实现对训练现场的运动等进行记录与评估。1.2.3有关人体运动信息研究的应用在骨科医疗和康复领域中，为了评价残疾、诊断疾病和鉴定康复的效果，客观而有效的方法就是进行步态分析和人体其它部位的功能评定。一般在医学临床上，应用加速度传感器测量来实现对患有腿部关节、运动障碍等疾病的病人进行辅助诊断、治疗的研究报告（包括对患者的步态、坐姿、姿态等的辨析等）。因为测量人体行走时有关肢体运动状态等物理量，可以帮助我们分析人体一些部位（特别是关节）的运动功能，进而为医疗康复等提供一定的参考依据。第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书加速度传感器应用于医学临床上对患者运动功能检测的资料较多，例如将加速度传感器捆绑在患者的手臂、腰背等部位，或者再加以结合其它的测量手段来对患者运动功能实现检测与治疗诊断[7]。在运动生理力学研究方面，人体运动的计算机仿真是更高层次的研究内容，是研究人体运动规律的有效手段；并具有很高的理论和实际应用价值，如用于碰撞的仿真、分析人的运动特征、医疗中脑神经外科诊断以及步态研究等。当然研究人体运动的手段和方法很多，其中实验方法是一个非常有前景的研究方法，充分利用实验所获得的测试数据，可以简化人体建模的复杂性，缩短研究周期，模拟人体运动的实例。通常采用运动生物力学测试手段，可以得到相关人体运动的数据，当然还要借助于影像仪、多维测力台、肌电仪等设备。但要获取全面的人体运动测试数据，必须综合利用这些设备，因此人体运动信息的采集、应用、研究的发展很大程度上要依赖于人体运动测试和感知技术。总的来说，加速度传感器所获取的信息能为人体运动的仿真研究提供可靠、准确的原始信息数据。1．3论文的主要工作和章节安排论文主要工作是研究以下三方面内容：其一，人体运动信息采集的原理和方法。采集人体运动信息，关键是要根据人体运动的特点，建立人体运动的模型，要考察人体的运动特点，需要从运动与控制等多个角度来体现生命系统的部分特征。人体的运动是一种复杂的，灵活的多自由度运动。其二，加速度传感器的原理及应用。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，目前加速度传感器的类型可谓多种多样，有压阻式、电容式、压电式、谐振式、热传导式、隧道式、光纤式、热对流式等。无论采用哪种工作方式，加速度传感器的工作原理都是相似的，将由惯性作用产生的机械运动或变形转换为电信号的变化。其三，运动信息采集系统的设计。运动信息采集系统的硬件设计分成两个部分，即信号采集单元和数据处理单元。其中信息采集部分安装于肢体的各个测量点，由多个加速度计网络节点和一个主机组成，每个节点由一个单片机控制，节点与主机之间通过I2C总线通讯。第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书本文的主要内容和章节安排如下：第一章：绪论。简单阐述人体运动信息获取技术的研究情况，主要对人体运动加速度信息获取方法和研究现状进行了分析，最后提出了本课题研究意义和研究任务。第二章：人体运动信息采集与分析的理论基础。首先阐述运动生物力学的相关理论，确定血药测量的一些运动信息参数，继而分析得出其测量方法。然后是了解人体的生理结构和及其运动特点，最终建立人体的运动模型。第三章：人体运动信息采集与分析的方法。较为详细的论述人体运动信息采集的各种方法，并分析它们之间的优缺点。并举例讨论基于加速度传感器的人体运动信息采集的运动分析，就是利用相应的测量手段，测量、采集人体运动的部分生物力学参数，并对这些参数进行相关分析和处理以得到更多的运动信息。第四章：人体运动信息采集系统的设计。首先对本课题的系统总体设计进行概述，给出系统任务。为了对人体运动进行较为深入的研究和实验，研制基于加速度传感器的运动信息采集系统，本章对于系统的功能、软件、硬件的构成，做了详细的介绍。第五章：结论。第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书2人体运动信息采集与分析的理论基础2．1运动生物力学的相关理论运动生物力学的发展，对人体运动测量学起到了巨大的推动作用，运动生物力学研究的内容是人体运动中的机械运动规律。人体运动的含义可以理解为人体整体、肢体位置的移动（位移），包括竞技体育运动、大众体育运动、日常活动和生产劳动等。运动生物力学应用生物学和力学的理论、方法，研究人体从事各种运动、活动和劳动的动作技术,使复杂的人体动作技术奠基于最基本的生物学和力学规律之上，并以数学、力学、生物学以及动作技术原理的形式加以定量描述[8]。人体运动、活动和劳动中的各种动作技术，可以通过运动生物力学方法进行测试研究，从而提高运动技术水平[9]。运动生物力学通过研究人体在运动中表现出的力、速度、加速度等参数与人体结构特性的关系，来揭示人体运动的基本规律，获得有价值的运动参数，从而进一步了解复杂的人体运动，为更深入地研究人体运动的相关技术提供重要依据。2.1.1运动生物力学的基本运动参数为了更准确地对人体运动进行研究分析，首先要对运动生物力学常用的基本运动参数进行了解。运动生物力学常用的参数主要有：位置、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、力、功、功率、动量、冲量、动量、力矩、动量矩、冲量矩、动能、位能、质量、重量、重心、人体环节质量、重量、重心、躯干倾角、着地角、离地角、前蹬角、后蹬角、腾起角、出手角、姿势角、攻角、稳定角等。对于人体运动的分析和描述都离不开以上运动生物力学参数，其中部分参数可通过仪器直接测量得到，另一些参数则需要根据其它参数进行运算得到[9]。2.1.2运动生物力学的测量方法第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书运动学方法中的平面定机摄影摄像测量方法、平面跟踪摄影摄像测量方法、立体定机摄影摄像测量方法、立体跟踪摄影摄像测量方法、红外光点摄像测量方法、激光测试仪测量方法、分段计时测量方法；动力学方法中的三维测力台测试方法、等速测力仪测试方法、A.K.M和B.K.M测力仪测力方法、T.K.K测力仪测力方法、赛艇多参数遥测分析系统测试方法、动态力的应变测试方法、人体运动能量测量方法；生物学方法中的人体形态学测量方法、人体重心测量方法、肌电测量方法、人体柔韧性测量方法、人体环节惯性参数测量方法、转动惯量测量方法等等。此外，还有多机同步测量方法、神经网络模型分析方法、数学模型与计算机仿真方法以及运动生物力学测试资料的统计处理与分析方法等。2．2人体生理结构及运动特点要进行人体运动生物力学参数的测量及运动的相关研究，需要对人体的生理结构及运动特点有一定的了解。人体是一个由206块形状各异的骨骼互相连接而构成的复杂有机体。运动系统是由骨骼和固着在骨上的肌肉组成的。在神经系统的支配下，肌肉发生收缩和舒张，牵动骨骼，使人体能够进行各种运动，其实质是肢体围绕关节运动，因此可将人体看成多段刚体的组合，每段刚体之间由相应的关节连接，构成一个连接型刚体系统。因为人体的所有运动都是通过关节的运动来实现的，所以最关键的是分析各个关节的自由度、相应的运动幅度以及多个关节之间的约束和联动。2.2.1人体关节、环节的运动人体运动的基础是环节围绕关节轴的转动，通常说的关节和环节运动都是指环节绕关节轴的转动。关节转动根据转轴种类和转动方向的不同，分为五种：屈伸：肢体在矢状面内绕额状轴转动（运动）向前运动为屈，向后运动为伸。水平屈伸：上臂在肩关节处和大腿在髋关节处外转90度后，绕垂直轴向前运动叫水平屈，向后运动叫水平伸。外展内收：肢体在额状面内，绕矢状轴运动，远离正中面为外，靠近正中面为内收。回旋：肢体在水平面内，绕其身的垂直轴旋转，如前臂由前向内的旋转叫旋内（或叫旋前），由前向外旋转叫旋外（或叫旋后）。人体肢体通过环节围绕关节的各种运动的组合实现不同的基本动作，所以当充分了解了各环节与关节的相对位置、角度的信息，即可推算出人体所处的姿态。2.2.2人体运动的特点第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书人体运动分析的主要目的是使计算机能够跟踪、分类和识别人体运动。在真实的世界中，人体的运动非常复杂，如果不做限制，任何人体部位的空间位置变化都可以被当做人体运动。从认知的角度可以把人体运动分为三个不同层次：行为、行动、基本动作。其中，基本动作是运动的最基本单元，它可以用人体关节在一段时间内的时空轨迹表示。行动是定义在基本动作之上的运动。它是一些基本动作的组合。而行为主要指包含与特定环境相关的确切语意的行动。行动和行为最主要的是感知和理性认识的区别。在体育领域，对于人体运动的研究最为深入和广泛。所有的体育运动被分为田径、体操、球类、游泳、滑冰和武术等大的项目。在这些项目中，有人体静止的平衡运动，也有位置发生变化的位移运动。从纯力学观点来说，除了平衡运动以外，对于位移运动，大致可以分为平动和转动两类。平动是人体由一个地方到另一个地方的运动，人体平动时，其内部所引的任何一条直线总是跟原来的方向平行的。转动是人体围绕着转动轴所做的运动。人体转动时，其内部各点都围绕同一个中心做圆周运动或转过一段弧线。人体平动可以分为直线运动和曲线运动。曲线运动可以分为一般曲线运动和圆周运动。当我们把解剖学和力学结合起来分析人体运动时，不仅要考虑到人体运动的力学特征，还要考虑到人体运动的解剖学特征，因此，我们把人体运动分为以维持平衡为主的静力性运动和变化复杂的动力性运动。静力性运动包括支点在人体重心上方的上支撑平衡运动，和支点在人体重心下方的下支撑平衡运动。各种悬垂动作，属于支点在人体重心上方的上支撑平衡运动；站立、手倒立、体操后桥等动作，属于支点在人体重心下方的下支撑平衡运动。2．3人体运动模型的建立进行人体运动分析，建立适合研究需求的人体模型是十分关键的一个步骤。建立人体模型后，可以通过三维测量技术，如多维摄像系统，生物力测量系统等得到的人体的运动数据（往往是特征点或标志点等的空间坐标），分析处理人体运动信息。2.3.1人体的棒状模型目前，绝大多数人体建模系统都以“棒状人”概念[10]为基础建立其骨骼系统，即将关节看成关节点，将关节之间的骨头看成是链，这样将人体躯干与四肢以铰链形式连接起来。图2.1是第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书棒状人体模型示意图当分析人体各种动作时，注意力就集中在对于姿式的分析上，这时候，人体各部分之间的相对位置就显的尤为重要。特定时刻各个关节点的位置连接起来，就能形成形象的棒图，这是分析人体运动的基础，可以认为是简化的人体运动模型。图2.1棒状人体模型示意图2.3.2人体运动坐标系的建立人体运动可以分解成各肢体的特征点在空间中位置的变化过程。要定量地描述人体的运动就必须定义一个坐标系，通过分析肢体的各特征点在此坐标系中的位移过程，可以得到人体的运动情况。在人体运动的研究领域，建立坐标系有多种方法，如绝对坐标系、相对坐标系、极坐标系等。以上肢为例，手臂的运动是靠肩关节、肘关节和腕关节的活动来实现的，所以手臂运动的检测就可以转换为相邻肢体环节间相对空间角度的检测，得到了相邻环节间的角度，就可以推出其空间位置关系。同理，如果我们检测出各环节的空间位置关系，同样可以得到各关节的角度信息。图2.2为手臂运动的模型。模型的建立是将手臂各个环节独立化，即每个环节基于其父环节建立坐标系，在进行运动的检测时只需要考虑该环节与父环节之间关节的运动情况。若确定肩关节的坐标，并假设人体不发生移动，这样，只需测量三个旋转量就能确定大臂的运动姿态。确定了大臂的位置以后，就可以用附着在大臂上的相对坐标系，根据小臂绕X轴和Z轴的旋转量，确定小臂的运动姿态。同理，可以根据固着在小臂上的坐标系，确定手腕的运动姿态，这样，只需要对大臂绕肩关节垂直旋转、大臂绕肩关节的水平旋转、大臂绕肩关节的扭转、小臂绕肘关节的弯曲、小臂绕肘关节的扭转及手腕绕腕关节的弯曲六种运动进行测量就能确定整个手臂的运动姿态。第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书图2.2手臂运动的模型虽然建立相对坐标系有利于人体运动的分析，但是人体的运动一般是各关节、环节联动，而相对坐标系计算的方法是要基于一个基坐标，向最末端环节依次进行坐标的变换，这便给运动的分析带来不便，并且在进行坐标变换及分析计算时，由于采集精度、误差等原因，都会带来一定的偏差，这样，经过的关节、环节越多，其偏差积累也会越大。在某些具体的运动分析中，可能只关心肢体某一点的运动过程，对于其父关节及以上关节的运动关注意义不大。本文在参考了大量文献的基础上，以人体运动空间建立绝对坐标系，如图3所示。以被测人体运动的空间为基础建立一个直角坐标系，每一个所关注的肢体端点，即关节在坐标系中的三个正交轴上都会有一个投影。由于人体关节和环节的约束性，根据每一个关节的坐标位置，即可推算出该环节在空间中的姿态及位置。绝对坐标系最大的好处是，如果只关注图2.3中被测人体右前臂的运动过程，则只需测量其右肘和右腕关节的运动轨迹，减少了无关的运算。如果需要监测人体整体运动，只需在基于由10个环节组成的棒状模型的基础上，进行12个点的测量就可完成运动的分析。测量点的位置分别为：头、左肩、右肩、左肘、右肘、左腕、右腕、髋关节、左膝、右膝、左踝、右踝。图2.3人体运动的绝对坐标系第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书2．4小结人体是具有特定形态结构的活体，运动形式多样，动作结构不一，各肢体协调动作，其运动过程相当复杂。要想全面地揭示人体一系列运动现象的本质，需要应用多种学科知识进行综合分析和研究。运动生物力学、人体解剖学、电子信息技术的发展促进了人体运动分析的进步，各学科的发展提高了人体运动分析的技术，提出了更为科学的分析方法。要对人体运动进行科学合理的分析，就要对运动生物力学和人体运动的特点有着较为深入的了解。人体运动分析涉及速度、加速度、力等多项基本运动参数，大部分运动参数之间存在着数学函数关系。例如，对加速度参数进行积分运算即可得到速度、位移等信息。人体运动主要是人体各环节围绕关节的运动。人体各类关节很多，在运动分析过程中，一般要根据人体运动的特点对人体进行简化，并结合实际应用建立适合的数学模型。本章根据当前人体运动分析主流的棒状人模型，建立了由10个环节构成的人体棒状模型。由于人体运动的主要表现为肢体在空间中的位置变化，因此，为了研究分析肢体在空间中变化过程及简化运算，建立了基于人体运动空间的绝对坐标系。绝对坐标系的建立减少了不必要的计算及因测量误差带来的积累偏差。第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书2人体运动信息采集与分析的方法人体运动信息采集与分析是指运用某种手段跟踪、捕捉人体的运动，获得人体运动的部分参数，并对这些参数进行分析和处理，从而得以重建人体的结构和姿态或进行其它的应用。人体在运动过程中所表现出来的运动信息主要体现在身体位置、关节角度、身体和肢体的位移、速度和加速度、力的大小和方向、动态力的变化速率等方面。对这些信息进行测量并利用生物运动学技术进行分析，可以对人体在运动中的状态进行评价。人体运动分析的过程主要由运动的跟踪测量、信号处理、数据分析所组成[11]。3．1人体运动信息采集的方法随着科学技术的发展，越来越多的高新技术被应用到人体运动信息采集的研究中，目前人体运动信息采集的主要方法有：光学测量方法、非电量电测法、生物电信号测量法。3.1.1光学测量方法为了对采集到的图像信息进行分析，需要对其进行数字化处理，对于高速摄影所得到的运动信息一般通过影片解析仪，完成影片的数字化过程，图4所示为影片数字化原理的示意图。如图3.1中所示，分析放影机将摄影机所拍摄到的图像放大后投影到数字化板上，然后用游标键盘取出需要的坐标值（x,y）输入到计算机中存储或进行数据处理。图3.1影片数字化原理第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书通过上述的原理介绍可知，一台摄影机只能对物体或人体运动进行平面分析，而且当遇到遮挡或进行旋转动作时，只能对测量点进行估算。若要准确地反映事物的运动特征，必须进行三维立体分析。原则上要通过两台摄影机从不同角度同步进行拍摄，这样就能把物体或人体运动的空间特征描述出来。采用多台摄影机同步工作在技术上存在一定难度，一般常用的方法有两种：1、定点三维正交法；2、定点三维直接线性变换法。完成拍摄后的数字化过程也更为复杂，在数据处理过程中需要对两台摄影机的的数据进行正交合成，一般通过专用的影像解析软件[12]系统来完成。以上介绍的高速摄影和摄像方法，可以对人体不施加任何约束，是正式比赛时可行的方法，但是为了从画面中获取关节点的位置信息，就需要在数字化仪上对着进行逐帧分析，光电技术开始被应用于运动检测中。目前得到广泛应用的产品主要有SELSPOT系统、VICON系统和COD系统。3.1.2非电量电测法非电量电测法是把传感器或传感元件固定在被测物上，然后把被测物的力学参数由传感器转换为模拟电量，通过放大器将微弱的模拟电量放大并调理后经模数转换器转换为数字量后进行计算机处理。其原理框图如图3.2所示。传感器或传感原件力学参量放大器A/D转换计算机输出设备图3.2非电量电测法原理框图在人体运动测量中，用于将力学参量转换成电量的传感器或传感装置主要有：测角仪、位移传感器、力传感器、惯性传感器等。3.1.3肌电信号测量法肌电测量包括有损伤测量和无损伤测量两大类。运动实践中的肌电测量大多采用无损伤类的表面肌电遥测技术，描记出肌肉活动中的电信号变化过程，称之为肌电图。利用肌电图可以说明：(1)某块肌肉或一块肌肉的哪些部分参与活动；(2)运动中所测各块肌肉参与活动的时间；(3)运动中所测各块肌肉收缩时间的长短和收缩强度。第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书肌电图在体育运动中应用比较广泛，用肌电图研究肌肉的不同状态、肌肉之间的协调程度、收缩类型及强度、判断肌肉疲劳程度及损伤、评定肌肉素质等等都有比较成功的例子。当人体进行运动时，相应的肌肉会收缩、变形，肌肉收缩所产生的微弱肌电信号被电极检测到，测量装置的信号处理放大环节会对此信号进行放大和滤波，去除干扰并得到有用的肌电信号，再经过A/D转换环节，则得到数字量的数据，测量装置的CPU对此数据再进行相关的分析和处理，即可得出运动过程中相关肌肉作用的结论[13]。3．2基于加速度传感器的运动信息采集与分析人体的运动最终以肢体在空间中姿态、位置的变化来体现，对于运动过程的储多信息如加速度、速度、位移、位姿、力等之间存在着一定的联系，只要得到加速度信息，其它参数信息可通过对其积分得到，下面以人体前臂运动的信息测量为例，说明加速度传感器在人体运动信息采集中的应用方法。人体前臂在运动过程中始终和竖直方向(或水平方向)成一定的角度关系。通过固定于前臂上的三轴加速度传感器的各个轴与重力方向(竖直向下)之间的夹角就可以检测出人体前臂的运动姿态。在进行前臂运动检测时，首先将传感器固定于前臂上，随着前臂的运动状态改变，传感器输出的变化信号经处理后可以得到前臂的运动姿态改变的参数。以简单平面运动为例，待测者肘关节置于桌面上不动，前臂绕肘关节做竖直平面的屈肘动作，加速度传感器安装于腕关节，注意在运动过程中，应保持其位置不变。在以上约束条件下，当前臂不动时，只需检测当前加速度传感器各敏感轴[13]与重力方向的夹角，即可分析出前臂的姿态。图3.3重力加速度对传感器作用示意图第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书当传感器保持相对静止时，会受到重力的作用，这样加速度传感器输出与重力加速度方向相反、大小相等的加速度信号，此加速度信号在三个轴上的输出分量取决于三个敏感轴与重力方向的夹角。图3.3所示为传感器相对静止时的各敏感轴与重力方向的夹角分别为θ、φ、γ，如果重力加速度的大小为g，此时传感器三个轴输出的电压信号分别为：式中：vx、vy、vz表示加速度计X、Y、Z三个轴所输出的电压信号，k表示加速度计的灵敏度，k表示加速度计的灵敏度，g表示重力加速度，V0表示加速度为0时，加速度计输出的电压。对上式求反函数可得到：从而可以求手臂的空间姿态。结合前一章中所建立的人体棒状模型，本例中可将手臂视为一个刚体，将肘关节视为支点，手臂运动则可看成是刚体围绕支点的平面运动。继而可以通过一系列数学运算对瞬时的加速度、速度、力等参数进行分析。3．3小结运动分析就是利用相应的测量手段，测量、采集人体运动的部分生物力学参数，并对这些参数进行相关分析和处理以得到更多的运动信息，从而在相应的领域得以应用。进行运动分析的首要环节便是运动参数的采集，如果不能准确地将人体运动的生物力学参数进行采集，数据的分析、处理及应用也就无从谈起。随着科学技术的进步，运动信息的采集方法和手段日益发展完善，技术趋于先进，采集精度和可靠性也随之提高。目前主要的运动采集第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书方法有：高速摄影、录像解析、光电检测、非电量电测肌电信息检测等方法。各种不同的采集方法适用于不同的场合及研究目的，在正式体育比赛中对运动员进行动作分析主要是采用录像的方法，这主要是由于图像采集的方法不会影响到运动员的动作，而其它的采集方式均需要在肢体上安装检测装置或标记点，会影响运动员的动作发挥。而在侧重力学参数采集的场合，非电量电测法则更受青睐，这种方法是利用传感元件将人的机械运动转换成电信号，并加以处理，与图像采集方式相比，非电量电测法在数据处理上要较图像处理简单，由于非电量电测法是将传感元件安装于人体的肢体上，所以可以更直接地得到三维运动信息。由于加速度参数在经过相关积分计算，可以很容易得到如速度、位移等参数，本章重点介绍了基于加速度传感器的运动检测方法。加速度传感器在不同的应用领域、面对不同的检测对象，其应用方法也有所区别，以人体上臂运动为例，介绍了利用加速度传感器测量和分析人体运动的方法。由于地心引力所产生的重力加速度在一定范围内可视为常量，所以利用重力加速度在传感器上各敏感轴上的分量依据矢量全成的方法可得出传感器在空间的姿态，根据传感器在肢体的固定位置即可分析出被测肢体的姿态。如果对传感器各敏感轴所输出的数据经矢量合成后不等于重力加速度，则说明此时被测肢体处于运动状态，通过对不同轴上加速度的大小进行分析可以得到肢体运动的方向，速度大小等信息。第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书2人体运动信息采集系统的设计运动信息采集系统利用人体运动的非电量电测法，利用加速度传感器采集人体运动时的加速度参数，系统通过对采集到的加速度数据进行处理、分析，可得到肢体在空间运动的相关信息[14]，如加速度、速度矢量的变化、肢体位移轨迹、空间姿态等信息。4．1系统总体设计运动信息采集系统由信号采集单元和数据处理单元两部分组成，其整体结构如图4.1所示，其中信号采集单元由一个主机和5个从机组成传感网络，从机作为传感网络的节点，以三轴加速度传感器ADXL330为核心器件，并设计信号调理等电路，利用MSP430单片机作为控制器，5个从机根据测量需求分别被安装于人体的监测点上，信号采集单元的主机通过I2C总线控制5个从机进行加速度信号的采集，并将各从机所采集到的数据集中，以无线通信的方式将其传送至数据处理单元[15]。图4.1运动信息采集系统结构示意图在对人体运动信息进行采集测量时，首先可根据具体应用进行功能设定，然后将信号采集单元的从机分别安装于肢体不同的特征点上，如图4.2所示。图4.2信号采集单元从机安装示意图第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书4．2系统硬件设计运动信息采集系统的硬件电路设计主要包括两部分内容：即信号采集单元电路设计和数据处理单元电路设计，下面对两部分电路设计分别进行介绍。4.2.1信号采集单元电路设计信号采集单元的作用是实时同步采集被测点的三维加速度信息，并将所采集到的加速度信息上传至系统的数据处理单元。信号采集单元是由一个主机和多个从机组成的主从式传感网络，在进行测量时，从机将被安装于人体的被测点上，信号采集单元的所有从机，通过I2C总线受控于主机。1）加速度传感器的选型由于设计本系统主要的目的是采集人体运动的加速度信号，所以需要选择一款合适的加速度传感器作为加速度信号的获取元件，传感器的选型要以人体运动时产生的加速度信号的特点为依据[16]。在正常情况下，人体运动加速度的频率和幅度都较低，加速度频率的极大值出现在跑或跳的运动中。运动加速度的幅度：在行走运动中加速度的幅度在垂直方向上均大于侧向和前后向，而且从人体的头部到脚部，幅度越来越大，频谱逐渐向较高频率移动。行走时，垂直方向的加速度幅度为-0.3g～0.8g，而水平方向上头部为-0.2g～0.2g，腰部为-0.3g～0.4g。在胫骨，垂直方向上加速度的幅度为-1.7g～3.3g，而水平方向上为-2.1g～2.3g，以自然速度行走时，垂直方向上人体上部的加速度频率范围为0.8Hz～5Hz，而其峰值出现在脚部接触到地面的时刻[16]。较高的频率成分均是由脚和地面的冲击力所造成的，并不是由自主的肌肉收缩所导致。根据人体运动时加速度参数的特点，用于测量人体运动的加速度计的频率范围在0Hz～20Hz即可满足要求，测量幅度范围为-3g～+3g。为了便于在人体上进行安装，并尽可能减小加速度传感器本身对运动所产生的影响，在选择加速度计时除了考虑其性能还要考虑体积尽可能小、集成度高、成本低的产品。综合上述因素，在本系统中选择基于MEMS技术的加速度传感器ADXL330，这是一款小型低功耗三轴加速度传感器，具有信号调理电压输出，能测量满刻度±2g的加速度，它能够测量在倾斜应用的静态重力加速度以及运动，振动的动态加速度，具有三路模拟量输出，分别表示x、y、z第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书三个敏感轴的加速度信号，尽管其测量幅度范围较小，但由于其价格低且基本可以满足实验研究的要求，故选择此款传感器，图4.3所示为加速度传感器ADXL330的内部原理框图。图4.3ADXL330内部结构图ADXL330是基于热对流效应的三轴加速度传感器，是基于单片CMOS工艺的完整的加速度测量系统，以可移动的热对流气团作为质量块，通过测量由加速度引起的腔体内气团位置的变化来测量加速度。如图4.4所示，一个被放置在芯片中央的热源在空腔中产生一个悬浮的热气团，同时4个由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离且对称地放置在热源[17]的4个方向。在未产生加速度或水平放置时，其温度的下降陡度是以热源为中心而完全对称传感器剖面图及热气团温度变化情况传感器剖面图及热气团温度变化情况（加速度为0）（加速度不为0）图4.4基于热对流效应的加速度传感器工作原理第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书的，此时，所有4个热电耦组因感应温度相同而产生相同的电压。传感器的剖面结构，上面是一个空腔气室，无外力作用时，热气团位于正中央。受到外力作用后，热气团位置偏移，4个热电耦组的平衡被破坏，其温度的下降陡度是以热源为中心而产生差值。由于自由对流热场的传递性,任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓,导致其不对称，此时，4个热电耦组的输出电压会出现差异，而这种差异是直接与所感应的加速度成比例的。在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径，一条用于测量X轴上所感应的加速度，另一条则用于测量Y轴上所感应的加速度。由ADXL330具有体积小、重量轻、性能稳定、成本低等特点，且各方面指标能够满足对人体运动加速度信号采集的基本要求，所以在本系统中选择此芯片作为系统的传感元件。2）信号的抗干扰处理人体运动过程中，加速度传感器所采集的信号除了有效的加速度信号还存在来自外部的其它干拢信号，如果对传感器的输出不进行任何处理而直接进行分析应用，显然无法得到准确的结果，所以必须对传感器输出的信号进行相应的降噪处理，以得到正确的加速度信息。由于前述人体运动加速度的频率一般为0～20Hz，所以对于高于20Hz的加速度信号，可视为干扰，为了减小干扰信号的影响，在传感器的输出端设计一截止频率为20Hz的低通滤波器，以去除高频噪声[18]。为了减小加速度传感器输出信号在传递过程中的衰减，利用电压跟随器进行阻抗的匹配，以提高下一级电路的输入阻抗，如图4.5所示。图4.5利用运算放大器实现电压跟随器滤波器分为无源滤波器和有源滤波器两类，由电阻、电容、电感等无源元件组成的RC、LC滤波器属于无源滤波器，无源滤波器电路形式简单，但在信号传递过程中会消耗信号的能量，造成输出信号的衰减。为了避免能量的衰减，本系统采用集成运算放大器NE5532和RC第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书滤波网络组成巴特沃斯二阶有源滤波电路，加快带宽外传输系数的衰减速度，电路如图4.6所示。（4-1）其中，RFILT=32K，带宽BW=20Hz，C=0.25uF，实际电路中，可选取0.22uF的电容值。图4.6加速度信号调理电路图中滤波器的幅频响应表达式为（4-2）式中,Auf=1+R6/R7，w2=1/RC，（R=R1=R2,C=C4=C5）,Q=1/(3-Auf)此低通滤波器的上限截止频率为fH=1/（2RC）。令fH=20Hz，则RC=1/（40）。取R=33KΩ，则C=0.24uf，所以电路中R1、R2取值为33KΩ，C4、C5取值为0.22Uf[19]。3）信号采集单元从机构成加速度传感器输出的模拟信号经滤波处理后，还要进行模数转换，以进行数据的处理，A/D转换环节采用从机的控制芯片MSP430单片机内部自带的8位A/D转换器。由加速度传感器ADXL330、信号调理电路与单片机MSP430及相关外围电路组成信号采集单元的从机，信号采集单元的主机通过I2第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书C总线与所有从机组成网络，控制从机完成信号的转换与发送。信号采集单元的主机采用的CPU型号与从机相同，主机通过I2C总线控制从机进行信号的采集以及转换结果的读取，并将转换结果以无线通信的方式发送到传感器的数据处理单元。信号采集单元与数据处理单元之间数据的无线传输采用专用蓝牙模块DFBM-CS120完成，蓝牙模块与单片机之间采用异步串行通信接口。图4.7所示为信号采集单元的主、从机网络及无线发送部分的电路原理图[20]。图4.7信号采集单元电路原理图图中K1～K4主要用于对信号采集单元进行功能设置，与主机I/O口直接相连，主机通过其异步串行接口与蓝牙通讯模块DFBM-CS120进行通信，利用单片机的I/O口产生串行通讯的请求信号。4.2.2数据处理单元电路设计数据处理单元主要完成对信号采集单元所采集到的多路加速度数据进行分析和处理，可以实现系统功能的设定、数据的存储以及与信号采集单元之间、与上位机之间的通信。数据处理单元的硬件组成主要包括：CPU单元、存储器扩展电路、输入输出电路、通信电路、时钟电路以及电源电路。1）CPU的选型由于数据处理单元在本系统中要处理15路的加速度数据并进行分析，所以对第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书CPU的运算速度和处理能力有较高的要求，在本设计中选用意法半导体公司生产的ARM7芯片STR710F-Z2T6，该处理器的最高主频可以达到50MHz，内嵌256KBFlash、64KBSRAM，I/O端口包括P0、P1、P2三个16位的端口，其它的外设接口引脚都与I/O端口的引脚功能复用[21]。另外，外部存储器接口(EMI)提供了16条数据线接口和24条地址线接口，可扩展4组16M空间的外部存储器，具有JTAG接口可方便地用于系统的仿真调试及程序下载。由于STR710芯片具有较丰富的内部资源，所以整个数据处理单元的硬件外围电路较为简单。2）外围电路设计为了CPU正常工作，使系统能够完成其功能要求，需要设计必要的外围电路。本系统具有三组时钟电路，如图4.9所示，图中的三组时钟信号分别为实时时钟信号、系统工作时钟、USB通信时钟信号，图4.10复位电路为系统提供上电复位及手动复位。图4.9系统时钟电路原理图第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书图4.10系统复位电路原理图为了提高系统数据处理能力，考虑到功能扩展的需要，外围扩展了64KB的RAM存储器61LV256，并扩展了2K的E2PROM存储器24C02用于存储预设功能等信息，存储器扩展电路如图4.11所示[22]。图4.11存储器扩展电路原理图3）输入输出电路系统输入输出电路主要用于用户输入指令或进行功能设定以及输出显示各类相关信息，输入部分采用按键方式，直接接到ARM的I/O口上，共四个功能键，分别定义为：设定、增量、减量、确定；输出部分包括LED指示灯和型号为RT12864M第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书的LCD点阵液晶显示器。输入及输出部分的电路分别如图4.12、4.13所示。4.12键盘接口原理图图4.13显示输出电路原理图按键一端经上拉电阻接至电源，另一端接地，并联0.1uF电容起到硬件防抖动的功能，当按键被按下时，I/O口检测为低电平；输出显示电路的LED发光二极管采用共阴极接法，阳极经限流电阻接至I/O口。LCD可显示128（列）×64（行）点阵图形，也可显示8×4个（16×16点阵）中文汉字，在系统中对LCD采用串行控制方式只需占用CPU的3个I/O第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书端口，主要用于显示系统当前的运行状态以及数据分析结果的输出。4）通信电路设计系统通信部分主要包括数据处理单元与信号采集单元的之间的通信以及系统与上位机之间的通信。其中数据处理单元与信号采集单元之间采用蓝牙通信方式，其电路原理图与信号采集单元相同，其蓝牙模块电路设计与从机相同[23][24]，如图4.14所示；系统与上位机之间的通信可采用USB方式或异步串行通信方式，共设有一个USB接口和2个COM通信接口，其电路如图4.15所示。4.14数据处理单元蓝牙通讯模块原理图图4.15与上位机通信电路原理图第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书5）电源部分电路设计数据处理单元供电可采用两种模式，一是采用外部直流电源供电；二是利USB通信线由上位机USB接口供电。电路采用LM117稳压芯片对输入电压进行稳压，产生3.3V直流电压，供给系统中各个单元，如图4.16所示。图4.16电源部分原理图4．3系统软件设计系统的软件设计主要包括两个部分：一是信号采集单元程序设计，二是以ARM7为主控制器的数据处理单元程序。由于信号采集单元的每一个传感器的网络节点（即从机）都是独立的，由一片单片机控制，所以网络节点的单片机程序是一致的，主要完成信号的采集，而所有的网络节点受一个主机控制，主机完成对多个从机的管理以及数据的上传等功能；ARM7的数据处理单元程序主要完对信号采集单元上传的数据进行处理，并根据运动测量系统的具体应用作出相应的判断或决策[25]。4.3.1信号采集单元程序设计信号采集单元的从机完成加速度信号的采集和模数转换，主机的作用则是控制从机同步进行信号的采集并汇总所有从机的采集结果上传至数据处理单元，下面分别介绍信号采集单元的主机及从机的程序设计。第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书1）从机部分程序设计信号采集单元从机CPU通过接收主机的指令完成相应的任务，主要包括启动信号采集、上传采集数据、删除数据的功能。当从机接收到启动采集的指令后将以一定的频率对加速度计ADXL330输出的三通道模拟量进行AD转换，并将结果暂存在片内的RAM中，当接收到主机发出的上传指令后，将存储区的数据上传至主机，从机的主程序及中断服务程序流程图如图4.17所示。系统初始化对传感器X/Y/Z输出进行A/D转换暂存转换结果存储区满开始地址指针复位NY响应中断保护断点命令类型发送数据设定参数删除全部数据恢复断点中断返回图4.17信号采集单元从机软件流程图从机程序在运行时，只响应I2C中断请求，在没有中断信号时，从机以固定的采样频率对加速度传感器输出的模拟量进行数据采集并存储，当信号采集单元主机发出I2C请求时，从机响应中断，根据主机的命令类型，进行数据的上传或其它操作。前面已经介绍，人体在自然运动时其加速度变化频率一般小于20Hz，根据奈奎斯特采样定理，有fs>2fmax第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书，即系统采样频率必须是被测信号成分中最大频率的两倍以上，才能正确地复现原始信号，为了更准确地反映出人体运动时肢体被测点的加速度变化，单片机以300Hz的频率对ADXL330的三路模拟量输出进行A/D采样，对于加速度计X、Y、Z每个通道输出的采样频率也就是100Hz。为了保证采样频率的稳定性，从机采用定时中断的方式启动A/D转换对加速度信号进行采样。2）主机部分程序设计信号采集单元的主机完成对所有信号的汇总和上传功能，主机根据预设功能可对转换数据进行实时上传或定时上传，功能的预设通过按键完成，主机程序的流程图如4.18所示[26]。从机就绪？开始系统初始化向ARM7发送就位信号等待响应功能设定功能设定功能设定功能设定NNYY图4.18信号采集单元主机软件流程图系统上电后的初始化环节主要包括对单片机自身的端口、寄存器的初始化以及对蓝牙模块的初始化。由于信号采集单元的主机和从机均采用8位单片机完成，而且信号采集的时间要求较高，所以在信号采集单元的程序中没有涉及到复杂的算法，对信号的滤波处理等环节由数据处理环节完成。4.3.2数据处理单元程序设计数据处理单元主要完成如下功能：由信号采集单元接收加速度数据后对其进行数字滤波，利用合理的算法对数据进行分析处理得到相关结论；与上位机通信等，其软件流程图如图4.19所示。第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书开始系统初始化采集单元准备好？功能设置？读入转换数据数字滤波处理数据处理结论输出进行相关设置NYNY图4.19数据处理单元软件流程图系统初始化环节主要是对ARM7芯片自身以及相关外围器件进行初始化，保证各环节处于正常工作状态。完成了系统的初始化之后，查询等待信号采集单元上传就绪信号，如超出系统等待时间，系统将尝试再次与采集单元进行通信，如通信失败，系统进入待机状态。在系统完成了初始化工作后，用户可通过数据处理单元功能按键进行相关的功能、参数设置，系统会保存当前设置，如不对功能进行设置，系统则默认为上一次的设置值[27]第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书。功能、参数的设置主要的意义在于，加速度传感器可能应用于不同的场合，如动作规范性判断、运动速度测量、位移测量等，对于不同的应用场合精度、算法会有不同，所以要进行功能及参数的设置。系统主要可设置的功能包括：（1）空间位移测量；（2）动作规范性训练；（3）动作识别。系统参数设置主要是针对系统的灵敏度。数据处理单元的工作就是对加速度传感器所采集到的数据进行分析和处理，将数据读入则是数据处理的第一步，系统根据需求读入数据的方式有实时读入和批量读入两种方式。实时读入方式指的是信号采集单元每完成一次加速度信号采集经A/D转换后立即将当前一组数据上传至数据处理单元；而批量读入方式则是信号采集单元完成当前信号的采集和转换后将结果暂存，直到数据处理单元发出读取指令，再将多组加速度数据上传到数据处理单元。数字滤波方法有很多，在本系统中采用程序判断的滤波方法[28]。工程实践表明，许多物理量的变化都需要一定的时间，相邻两次采样值之间的变化有一定的限度。程序判断滤波就是根据实践经验确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差ΔY，若超出此偏差值，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉；若小于此偏差值，可将信号作为本次采样值。在本系统中所采用的是限幅滤波的方法，即将两次相邻的采样值相减，求出其增量(以绝对值表示)，然后与两次采样允许的最大差值(由采集对象的实际情况决定)ΔY进行比较，若小于或等于ΔY，则取本次采样值；若大于ΔY，则仍取上次采样值作为本次采样值。以体育训练为例，在研究人体动作时，主要研究的参数一般包括肢体力量、运动速度、肢体位移轨迹、空间位置等，而以上各项参数，均可通过对肢体被测点的加速度计算得出。力量：F=ma式中：F为肢体动作的力量，m为运动肢体的等效质量,a为运动加速度，速度：式中：a为运动速度，v0为初始速度，为加速度对时间的积分位移：式中：s为位移量，v0为初始速度，a为运动加速度，t为运动时间位置：P(x,y,z)=P0(x,y,z)+S(x,y,z))式中：P表示被测点的终止位置，P0为初始位置，S为位移轨迹。第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书数据处理单元在完成对数据的分析处理后将得出相关的结论，如动作识别的结果，动作是否符合规范以及动作的复原等，对于动作规范与否的判断可通过将采集到的动作信息与数据库进行匹配，之后通过其显示输出电路输出相应的声光信息，而对于动作复原方面的应用则要通过串行通讯接口或USB输出接口输出至PC机，由PC机完成动作复原再现等功能。4．4本章小结为了对人体运动进行较为深入的研究和实验，研制了基于加速度传感器的运动信息采集系统，本章对于系统的功能、软件、硬件的构成，做了详细的介绍。该系统的是基于运动的非电量电测方法，按照功能可分成信号采集单元和数据处理单元。信号采集单元是利用美国ADI公司的三轴加速度计ADXL330作为信号获取元件，ADXL330与单片机MSP430和相关的信号处理电路组成一个独立的传感器网络节点，整个系统共有5个传感器网络节点，通过I2C总线受控于数据采集单元的主机。主机控制所有节点进行同步信号采集，并根据数据处理单元的指令，以无线方式将经过转换的加速度数据发送至数据处理单元。信号采集单元与数据处理单元之间采用蓝牙模块进行无线通讯。数据处理单元主要完成对传感器所采集到的加速度数据进行软件滤波以及分析和处理，并最终得到结论，在硬件上采用ARM7作为CPU并设计了相关的外围电路，系统软件滤波采用差值限幅法，即当先后两个数据变化超过限定值时认为其是干扰信号，不予采信。数据处理方面主要基于比较匹配和结合人体模型运算两种方法，对于相对规范的动作识别可采用比较匹配方法，为了提高数据匹配的速度主要采用基于时空特征的快速检索方法，而对于相对随机的动作则要基于人体运动模型并参照个体特征参数进行分析处理。第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书2结论论文结合运动生物力学的发展，在查阅了大量相关资料的基础上，对人体运动的特点进行了分析，对人体运动的测量方法进行了总结和研究，结合人体的生理结构和运动特点，建立了人体运动的模型及人体运动的空间坐标系。并重点研究了基于加速度传感器的运动测量方法。人体加速度信息对人体运动的反映，以及在体育锻炼、医疗康复、运动与步态识别、运动与健康管理、生物认证等领域应用的日益发展。根据人体运动加速度信息获取课题任务的要求，提出一种新颖的分布式人体运动加速度信息无线获取系统设计方案，能对人体多达12个关键运动环节的加速度信息进行同步获取。根据系统设计方案，提出了硬件系统设计总体原则；然后，对信息采集子系统的硬件构成和设计要求进行优化分析，分别对无线通信模块、信息采集子系统和主控系统的硬件设计进行分析与优化，然后针对各个模块和系统进行详细的硬件设计。在系统硬件平台上，充分利用各芯片的多种工作模式，以降低系统整体功耗为重要原则，提出一种优化的系统工作流程，设计出一种低功耗的无线数据发送和接收通信协议。提出系统软件设计总体原则，然后对加速度信息采集过程进行优化，给出一种合理的加速度信息采集工作流程。根据系统软件设计总体原则，以降低系统功耗为基础，进行下位机软件设计。然后进行PC应用软件的设计，并实现了对主控系统存储的加速度信息的读取，以及相关的加速度数据信息处理任务。通过对本课题的研究，了解到对于人体运动信息研究的主要的难点和重点有以下三个方面：信息采集的准确全面；数学模型的完善；强大的专家系统或数据库。对于运动信息的采集，目前常用的方法主要是基于图像第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书、视频、电磁、加速度、肌电信号等，各种方法各自有其优势，但也都存在不足，适用于不同的场合，如果将多种手段合理的综合运用，将多种信息相融合，将对运动信息的采集起到关键作用。数学模型的建立则与理论研究的深度紧密相关，对于不同的应用场合，应采取不同的数学模型，而模型的初始化是人体运动采集、研究的一个重要步骤。在大多数研究中，都假设初始的人体运动姿态是己知的。然而在真实的环境中，应能够自动获取初始的人体姿态并对任意的人体运动进行建模。而强大的专家系统或数据库，则是需要大量的实验和实际测量所逐渐积累而成，而专家系统的完善或者数据库的强大，也会带来数据检索匹配工作量的增加，如何能够高效地进行数据库的检索也将是日后研究的一个重点。第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书附录数据处理单元电路原理图第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书参考文献[1]王新.基于摄像系统的上肢日常活动中的运动分析[M].天津：天津科技大学，2004（4）:8-21.[2]肖鹏.基于关节变量的人体手臂运动检测及建模[M].湖南长沙：中南大学，2006,4（2）:31-38.[3]张振龙，陈慧宝，何毅.人体运动的三维分析[J].中国康复，1999，14（3）：184-185.[4]李建设，王良民.运动生物力学研究技术的发展与存在问题[J].中国运动医学杂志，2002，21（8）：389-391.[5]崔巍.计算机辅助运动训练系统研究与相关子系统的实现[M].北京：清华大学，2003,15（6）:27-32.[6]崔牧凡.电磁式人体运动检测装置及数据调理模型的研究与实现[D].北京：北京航空航天大学,2001.[7]王向东,刘学贞,苑廷刚,等.运动生物力学方法学研究现状及发展趋势[J].中国体育科技,2003,39(2):15-16.[8]李建设，王良民.运动生物力学研究技术的发展与存在问题[J].中国运动医学杂志,2002,21（5）:389-391.[9]中国运动生物力学网\http://www.cssb2001.net/.[10]侯文生，戴加满，郑小林，等.基于加速度传感器的前臂运动姿态检测[J].传感器与微系统，2009，28（1）：106-108.[11]焦纯，杨国胜，董秀珍，等.基于三维运动传感器的训练强度监测仪的设计[J].医疗卫生装备，2003（3）：9-12.[12]CharacterizationandimplicationsofthesensorsincorporatedintotheSensewearArmbandforenergyexpenditureandactivitydetection.http://www.bodymedia.com/pdf/sensors.pdf/.[13]陈祥运.测力台数据的采集分析与系统实现[D].南京：南京理工大学，2003.[14]苏品.运动生物力学[M].北京:人民体育出版社,1980,10(8):25-29.[15]JihongLee,InsooHa.Real-TimeMotionCaptureforaHumanBodyusing第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书Accelerometers[J].Robotica,2001,19:501-610.[16]卢德明.运动生物力学测量方法[M].北京：北京体育大学出版社，2002,25（5）：124-143.[17]任惠民，林奇，等.人体形态学[M].北京:北京医科大学出版社，2000（7）：248-258.[18]吴建义，吴鸿适，张福学.气流式加速度传感器的研究及其应用[D].北京真空电子技术研究所，1999.[19]雷建和.基于多源信息融合的人人体运动分析与建模研究[D].安徽：中国科学技术大学，2006.[20]王天树.三维人体运动分析和合成的统计方法[D].西安:西安交通大学，2002[21]BobK,AdJ.M.W.Janssen,Bobvan.Bodypositioncanbemonitoredin3Dusingminiatureaccelerometersandearth-magneticfieldsensors[J].ElectroencephalographyandClinicalNeurophysiology,1998(109):484-488.[22]郑秀瑗.现代运动生物力学[M].国防工业出版社,2002.[23]乔建军.基于运动捕获的运动编辑技术研究[D].山东:山东大学，2007，10-12.[24]周华,沈连官,尤辉，等。电容式微型加速度传感器的建模仿真及优化设计研究[J].光电精密工程，1999（4）：35-37.[25]NadiaMagnenat-Thalmann，MyungJinKang，TaroGoto．Problemsandsolutionsfortheaccurate3Dfunctionalmodelingofthehipandshoulder[C].Proc．ofIEEEComputerGraphicsImernationM2002，3-23.[26]谷荻隆嗣.数字滤波器与信号处理[M].科学出版社，2003.[27]刘燕，李月香.基于加速度计的步态数据无线采集系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2009,5:43~45.[28]向坚.基于三维捕获数据的人体运动分析关键技术研究[D]，浙江大学，2007.第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书致谢本论文的工作是在导师张教授的悉心指导下完成的，张老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助。她对我出现的错误给予了及时指正,并进行了热心的指导,同时还提出了许多宝贵的意见和建议，使得我能顺利地完成我的毕业设计。张老师不仅教会了我们书本上的知识，还教会了我们怎样学习、怎样工作，更重要的是教会了我们怎样做人。在此,请允许我对她表达最诚挚的谢意!向所有关心帮助我的朋友表示真诚的感谢！第40页共39页\n清华大学2012届毕业设计说明书内部资料仅供参考9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ^!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQ@Gn8xp$R#͑Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5ux^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmUE9aQ@Gn8xp$R#͑Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5ux^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z8vG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ^!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQ@Gn8xp$R#͑Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^G89AmUE9aQ@Gn8xp$R#͑Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5ux^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z8vG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ^!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQ@Gn8xp$R#͑Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5ux^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmUE9aQ@Gn8xp$R#͑Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849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