本發(fā)明屬于姿態(tài)檢測領域，具體是一種基于mems慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)及其檢測方法。

背景技術：

隨著姿態(tài)檢測技術的不斷發(fā)展和領域的不斷拓寬，人體姿態(tài)檢測技術在醫(yī)療、民航、娛樂、體育等領域的應用越來越廣泛，相應地對姿態(tài)檢測的精度和穩(wěn)定性等性能的要求也越來越高。在人體姿態(tài)檢測中，mems慣性傳感器起著舉足輕重的作用。

mems全稱為微機電系統(tǒng)，mems器件具有體積小、重量輕、耗能低、響應時間短、價格低廉、可靠性和穩(wěn)定性高等特點。mems是一項革命性的新技術，廣泛應用于高新技術產(chǎn)業(yè)，是一項關系到國家的科技發(fā)展、經(jīng)濟繁榮和國防安全的關鍵技術。加速度計、陀螺儀和磁強計都屬于mems器件，分別可以測取加速度、角速度和磁感應強度。隨著對mems器件要求的提高，出現(xiàn)了多傳感器集成的芯片，mpu9150便是一種將加速度計、陀螺儀和磁強計集成與一體的mems器件。

目前國內(nèi)外的人體姿態(tài)檢測多用加速度計和陀螺儀兩種mems慣性傳感器進行姿態(tài)數(shù)據(jù)采集，導致數(shù)據(jù)采集與處理模塊的集成度不高，成本高，體積偏大，不便于置于人體上進行姿態(tài)數(shù)據(jù)采集，并且加速度計和陀螺儀只能采集加速度和角速度兩種姿態(tài)數(shù)據(jù)，只基于這兩種姿態(tài)數(shù)據(jù)解算得到的姿態(tài)信息精度偏低，穩(wěn)定性不好。采用的單片機大多數(shù)功耗較高，對電源的要求相應的提高，從而導致系統(tǒng)的續(xù)航能力較弱?，F(xiàn)有的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集節(jié)點普遍較少，不能準確的采集人體全身的姿態(tài)數(shù)據(jù)信息，導致捕捉到的人體姿態(tài)不夠精確，穩(wěn)定性也較差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于mems慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)及其檢測方法，該可穿戴式人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)可以覆蓋人體18個主要的關節(jié)點，可以實時準確地檢測人體的姿態(tài)情況，并將姿態(tài)信息進行保存，該系統(tǒng)具有成本低、檢測節(jié)點分布密集、響應速度快、實時性和穩(wěn)定性較好、精度高等特點。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種基于mems慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)及其檢測方法，包括計算機、數(shù)據(jù)采集與處理模塊和姿態(tài)信息接收與傳輸模塊，其中數(shù)據(jù)采集與處理模塊由第一微處理器、第一電源、慣性傳感器、第一無線射頻單元組 成，姿態(tài)信息接收與傳輸模塊由第二微處理器、第二電源、第二無線射頻、rs232串口單元組成；系統(tǒng)共有18個數(shù)據(jù)采集與處理模塊分別置于人體的18個關節(jié)處，構成具有18個節(jié)點的人體姿態(tài)檢測數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，18個模塊均嵌入衣物當中，在姿態(tài)檢測時將嵌有檢測模塊的衣物穿戴完畢，各檢測模塊中的慣性傳感器將對人體各部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行采集；內(nèi)部的微處理器用于對采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行處理；數(shù)據(jù)采集與處理模塊與姿態(tài)信息接收與傳輸模塊通過無線射頻單元進行信息傳輸，rs232串口用于將姿態(tài)信息傳輸?shù)接嬎銠C；計算機接收到姿態(tài)信息后將在上位機上顯示出當前人體的姿態(tài)。

所述數(shù)據(jù)采集與處理模塊包括第一微處理器、慣性傳感器、第一無線射頻和第一電源，姿態(tài)信息接收與傳輸模塊包括第二微處理器、第二無線射頻、rs232串口和第二電源；其中第一電源分別連接第一微處理器和慣性傳感器為它們供電，第二電源連接第二微處理器為其供電；慣性傳感器采集數(shù)據(jù)發(fā)送給第一微處理器，第一微處理器和第二微處理器通過第一無線射頻和第二無線射頻進行無線通信，第二微處理器便接收到姿態(tài)信息。

所述18個數(shù)據(jù)采集與處理模塊組成的人體姿態(tài)檢測數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡嵌入一套衣物中，在檢測人體姿態(tài)時穿戴。

所述第一微處理器采用msp430f5310型號的芯片，第二微處理器采用msp430f5438型號芯片，慣性傳感器采用美國invensense公司的mpu9150芯片，第一無線射頻和第二無線射頻均為nrf24l01芯片，第一電源和第二電源均采用鋰電池供電。以上芯片選型保證了數(shù)據(jù)采集與處理模塊1體積小、功耗低，系統(tǒng)成本低、無外接線、便于操作。

所述數(shù)據(jù)采集與處理模塊與姿態(tài)信息接收與傳輸模塊之間采用無線通信，姿態(tài)信息接收與傳輸模塊將接收到的18組姿態(tài)信息按通信協(xié)議通過rs232串口發(fā)送給計算機3。

所述上位機實時顯示當前人體姿態(tài)，記錄并保存接收到的姿態(tài)信息。

所述姿態(tài)信息采用四元數(shù)的形式表達。

所述mpu9150芯片，芯片是由加速度計、陀螺儀和磁強計三種慣性傳感器集合而成，可采集三種姿態(tài)數(shù)據(jù)用于人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合和姿態(tài)解算，并且集成芯片使數(shù)據(jù)采集與處理模塊體積更加小巧。

一種基于mems慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測方法，包括以下步驟：

步驟1，將嵌入人體姿態(tài)檢測數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡的衣物穿戴完畢，并將系統(tǒng)上電；

步驟2，各個數(shù)據(jù)采集與處理模塊上的慣性傳感器采集相應關節(jié)處的姿態(tài)數(shù)據(jù)，采 集到姿態(tài)數(shù)據(jù)后將其發(fā)送到第一微處理器；

步驟3，第一微處理器對慣性傳感器采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行處理，解算得到姿態(tài)信息；

步驟4，第一微處理器將處理后的姿態(tài)信息發(fā)送給第一無線射頻，第一無線射頻和第二無線射頻進行無線通信，將姿態(tài)信息傳輸給第二微處理器，第二微處理器按照通信協(xié)議將收到的姿態(tài)信息通過rs232串口發(fā)送給計算機；計算機對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，如果數(shù)據(jù)合格則計算機對姿態(tài)信息進行處理，在上位機中顯示出當前人體的姿態(tài)，并記錄人體姿態(tài)信息，如果不合格則返回步驟；

步驟5，判斷系統(tǒng)是否斷電，斷電則姿態(tài)檢測結束，否則返回步驟。

步驟3所述第一微處理器對慣性傳感器采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行的處理過程包括：對系統(tǒng)進行初始校準，以獲取系統(tǒng)的初始值，即初始化四元數(shù)；通過四元數(shù)法和數(shù)據(jù)融合算法對人體姿態(tài)數(shù)據(jù)進行解算，對姿態(tài)信息進行更新，并重復以上過程。

步驟4所述的通信協(xié)議，其過程為：建立計算機與第二微處理器的連接；計算機確定響應報文；斷開計算機與第二微處理器的連接；其中第二微處理器對計算機的報文格式為：報文頭+命令字+幀號+18個節(jié)點姿態(tài)數(shù)據(jù)+根節(jié)點加速度+根節(jié)點位移+校驗和+結束符，每一條報文共有179個字節(jié)，具體的報文格式為：

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點在于：(1)本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集節(jié)點更加密集，共有18個數(shù)據(jù)采集節(jié)點，覆蓋了人體主要的運動關節(jié)，構成了一個數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，可以更加精確地捕捉人體的姿態(tài)信息。(2)本發(fā)明將各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點嵌入一套衣物當中，為一種可穿戴的系統(tǒng)，在進行姿態(tài)檢測時更加方便。(3)本發(fā)明采用了新型的集成芯片mems慣性傳感器mpu9150，該芯片集成了加速度計、陀螺儀和磁強計三種傳感器，與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比加入了磁強計，并對三種傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行了融合，由此得到的姿態(tài)信息更加精確，穩(wěn)定性更好。(4)本發(fā)明采用了msp430單片機作為處理器，該型號單片機功耗低，同時滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的需要，大大提高了系統(tǒng)的續(xù)航能力，可以長時間對人體的姿態(tài)進行實時檢測。(5)本發(fā)明中的數(shù)據(jù)采集與處理模塊和姿態(tài)信息接收與傳輸模塊之間采用無線射頻nrf24l01進行無線傳輸，使系統(tǒng)更加簡捷，數(shù)據(jù)傳輸更加方便。(6)本發(fā)明的傳感器采用mpu9150，微處理器采用msp430型號，無線射頻采用nrf24l01，以上芯片的價格都較低，因此該系統(tǒng)具有低成本、高性能的優(yōu)點。(7)本發(fā)明所選用的芯片體積都比較小，由這些芯片集成的數(shù)據(jù)采集與處理模塊相應地更加小巧，更易于嵌入衣物當中，穿戴起來也更加方便。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于mems慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)及其檢測方法的人體姿態(tài)檢測數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡圖。

圖2是本發(fā)明基于mems慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)及其檢測方法的硬件組成結構圖。

圖3是本發(fā)明基于mems慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)及其檢測方法的檢測流程圖。

具體實施方式

一種基于mems慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟：

下面結合附圖及具體實施方式對本發(fā)明做進一步詳細描述。

結合圖1，本發(fā)明基于mems慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)為一套嵌入18個數(shù)據(jù)采集與處理模塊1的可穿戴衣物，這18個數(shù)據(jù)采集與處理模塊1分別位于人體的18個主要關節(jié)處，并按1～18分別進行了編號，構成了一個人體姿態(tài)檢測數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡。在檢測人體姿態(tài)時將衣物穿戴完畢，各個模塊上電之后，模塊中的慣性傳感器5將采集各個部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)，之后數(shù)據(jù)采集與處理模塊1采用無線通信的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，將采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶藨B(tài)信息接收與傳輸模塊2。

結合圖2，本發(fā)明基于mems慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集與處理模塊1、姿態(tài)信息接收與傳輸模塊2和計算機3，其中數(shù)據(jù)采集與處理模塊1由第一微處理器4、第一電源7、慣性傳感器5、第一無線射頻6單元組成，姿態(tài)信息接收與傳輸模塊2由第二微處理器8、第二電源11、第二無線射頻9、rs232串口10單元組成。其中第一電源7分別連接第一微處理器4和慣性傳感器5為它們供電，第二電源11連接第二微處理器8為其供電；慣性傳感器5與第一微處理器4相連，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給第一微處理器4，第一微處理器4和第二微處理器8通過第一無線射頻6和第二無線射頻9進行無線通信，第二微處理器8便接收到姿態(tài)信息；數(shù)據(jù)采集與處理模塊1置于人體的某一關節(jié)部位采集該關節(jié)的姿態(tài)數(shù)據(jù)信息，采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給姿態(tài)信息接收與傳輸模塊2，姿態(tài)信息接收與傳輸模塊2按照特定的通信協(xié)議將收到的姿態(tài)信息通過rs232串口10發(fā)送給計算機3，計算機3的上位機將對姿態(tài)信息進行分析并實時地顯示當前人體的姿態(tài)。

進一步地，第一微處理器4采用msp430f5310型號的芯片，第二微處理器8采用msp430f5438型號芯片，這兩款微處理器具有價格便宜、性能良好、低功耗的優(yōu)點。慣性傳感器5采用美國invensense公司的mpu9150芯片，此芯片是加速度計、陀螺儀和磁強計的集成芯片，具有良好的集成性。第一無線射頻6和第二無線射頻9均為nrf24l01芯片，為系統(tǒng)提供了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?。第一電?和第二電源11均采用鋰電池供電，續(xù)航能力強，并大大減小了數(shù)據(jù)采集與處理模塊1的體積。

進一步地，所述姿態(tài)信息接收與傳輸模塊2將姿態(tài)信息發(fā)送給計算機3的通信協(xié)議，其具體過程為：

(a)建立計算機3與第二微處理器8的連接，發(fā)送格式為：報文頭+命令字+校驗和+結束符，報文頭為固定報文名0xeb，命令字為0x01，校驗和為數(shù)據(jù)部分的值之和(不包括結束符)，結束符固定為0x90；響應格式為：報文頭+命令字+位掩碼+傳感器個數(shù)+校驗和+結束符，報文頭為固定報文名0xeb，命令字為0x02，位掩碼為高18位存儲，0表示失敗，1表示成功，高18全為1表示發(fā)送了18個傳感器均正常通信，高18位若有一個不為1表示該位傳感器不能正常通信，校驗和為部分數(shù)據(jù)的值之和，結束符為0x90；

(b)計算機3確定響應報文，發(fā)送格式為：報文頭+命令字+校驗和+結束符，報文頭為固定報文名0xeb，命令字為0x03，校驗和為數(shù)據(jù)部分的值之和，結束符固定為0x90；響應格式為：報文頭+命令字+幀號+18個節(jié)點姿態(tài)數(shù)據(jù)+根節(jié)點加速度+根節(jié)點位移+校驗和+結束符，每一條報文共有179個字節(jié)；

(c)斷開計算機3與第二微處理器8的連接，發(fā)送格式為：報文頭+命令字+校驗和+結束符，報文頭為固定報文名0xeb，命令字為0x21，校驗和為數(shù)據(jù)部分的值之和，結束符固定為0x90；

結合圖3，本發(fā)明基于mems慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟：

步驟1，將嵌入人體姿態(tài)檢測數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡的衣物穿戴完畢后將系統(tǒng)上電；

步驟2，各個數(shù)據(jù)采集與處理模塊1中的慣性傳感器5采集相應關節(jié)處的姿態(tài)數(shù)據(jù)，慣性傳感器5采集到姿態(tài)數(shù)據(jù)后將其發(fā)送到第一微處理器4；

步驟3，第一微處理器4對慣性傳感器5采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算，解算之后得到姿態(tài)信息；

步驟4，第一微處理器4將處理后的姿態(tài)信息發(fā)送給數(shù)據(jù)采集與處理模塊1中的第一無線射頻6，數(shù)據(jù)采集與處理模塊1中的第一無線射頻6和姿態(tài)信息接收與傳輸模塊2中第二無線射頻9進行無線通信，將姿態(tài)信息傳輸給第二微處理器8；

步驟5，第二微處理器8按照通信協(xié)議將收到的姿態(tài)信息通過rs232串口10發(fā)送給計算機3；

步驟6，計算機3判斷接收到的姿態(tài)信息是否合格，如果合格計算機3對姿態(tài)信息進行處理，在上位機中顯示出當前人體的姿態(tài)，并記錄人體姿態(tài)信息。如果接收到的姿態(tài)信息不合格，則返回步驟6；

步驟7，系統(tǒng)進行斷電檢測，如果系統(tǒng)斷電則檢測結束，否則返回步驟2。

人體姿態(tài)檢測過程中采用了四元數(shù)法和數(shù)據(jù)融合算法，這一系列的算法均在數(shù)據(jù)采集與處理模塊1中進行。在此系統(tǒng)中人體的姿態(tài)信息均用四元數(shù)的形式表示，四元數(shù)法用于人體姿態(tài)的解算和更新。數(shù)據(jù)融合算法將傳感器采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行融合，從而更加精確地解算人體姿態(tài)。

本發(fā)明提出的基于mems慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)及其檢測方法，具有低成本、功耗低、精度高、響應速度快、實時性和穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)采集節(jié)點分布密集等一系列優(yōu)點，能實時準確地捕捉人體的姿態(tài)，滿足人體姿態(tài)檢測的要求，在醫(yī)療、民航、娛樂、體育等領域具有廣闊的應用價值和應用前景。