一種基于九軸姿態(tài)融合算法的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于九軸姿態(tài)融合算法的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)，包括電源管理模塊以及與電源管理模塊相連接的姿態(tài)檢測模塊、姿態(tài)融合模塊、控制模塊、藍(lán)牙通信模塊和音頻解碼模塊，其中姿態(tài)檢測模塊用于檢測頭部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)，姿態(tài)檢測模塊與姿態(tài)融合模塊相連，姿態(tài)融合模塊將姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，姿態(tài)融合模塊、音頻解碼模塊、藍(lán)牙通信模塊均與控制模塊相連。上述多自由度藍(lán)牙耳機(jī)能夠根據(jù)使用者頭部的動(dòng)作來對(duì)手機(jī)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作，從而解決了人們在用手機(jī)并在駕駛或干其他事情時(shí)無法進(jìn)行音樂操作或接聽掛斷電話、手機(jī)拍照的問題，本發(fā)明還可以解決對(duì)于失去雙手的殘疾人進(jìn)行手機(jī)基本操作的問題。
【專利說明】
一種基于九軸姿態(tài)融合算法的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于藍(lán)牙耳機(jī)設(shè)計(jì)制作技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于九軸姿態(tài)融合算法的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]姿態(tài)傳感器，即慣性測量元件，是依據(jù)慣性力或慣性矩在慣性系中測量角速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參量的器件，主要包括陀螺儀和加速度傳感器。尤其是在MEMS技術(shù)發(fā)展之后，慣性測量元件在生活消費(fèi)電子領(lǐng)域得到了更為廣泛的運(yùn)用，極大改善了人機(jī)交互界面，給人們的生活帶來了方便?，F(xiàn)在MEMS慣性測量元件已應(yīng)用在智能手機(jī)、智能手環(huán)、照相機(jī)、3D遙控器等多種電子產(chǎn)品中。然而除手機(jī)外，這類電子產(chǎn)品往往只嵌入了加速度傳感器或者陀螺儀傳感器中的一種，以國產(chǎn)的智能手環(huán)為例，手環(huán)為監(jiān)測人一天的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，只嵌入了加速度傳感器，由于加速度傳感器具有靈敏度高、噪聲大的特點(diǎn)，導(dǎo)致一些偶然的抖臂都可能被誤判為走動(dòng)或跑動(dòng)，產(chǎn)生誤判。同樣，對(duì)于僅嵌入零漂較大的陀螺儀傳感器的智能設(shè)備來說，數(shù)據(jù)的大幅度偏差也不可避免。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供了一種采用九軸姿態(tài)傳感器全方位監(jiān)測的藍(lán)牙耳機(jī)，所述藍(lán)牙耳機(jī)中首先得出九軸原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行算法融合后再作為姿態(tài)的特征數(shù)據(jù)，能夠極大改善上述問題。
[0004]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采用的技術(shù)方案為:
[0005]—種基于九軸姿態(tài)融合算法的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)，包括電源管理模塊以及與電源管理模塊相連接的姿態(tài)檢測模塊、姿態(tài)融合模塊、控制模塊、藍(lán)牙通信模塊和音頻解碼模塊，其中姿態(tài)檢測模塊用于檢測頭部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)，姿態(tài)檢測模塊與姿態(tài)融合模塊相連，姿態(tài)融合模塊將姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，姿態(tài)融合模塊、音頻解碼模塊、藍(lán)牙通信模塊均與控制模塊相連，控制模塊對(duì)融合后的姿態(tài)數(shù)據(jù)分析后得出對(duì)應(yīng)的控制指令并通過藍(lán)牙通信模塊將控制指令傳達(dá)到手機(jī)端，所述音頻解碼模塊將音頻數(shù)據(jù)流解碼并進(jìn)行語音播放。
[0006]所述姿態(tài)檢測模塊由用于檢測頭部的三軸角速度和三軸加速度的數(shù)字式六軸頂U(kuò)和用于檢測頭部磁偏航的數(shù)字式磁力計(jì)組成。所述數(shù)字式六軸MU是基于I2C通信的整合型六軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速度傳感器的軸間差的問題，并減少了大量包裝空間，還可藉由第二個(gè)I2C端口橋接其他磁力計(jì)或其他傳感器。
[0007]所述的姿態(tài)融合模塊采用歐拉角的形式刻畫頭部運(yùn)動(dòng)。
[0008]所述歐拉角中橫滾角和俯仰角是通過一階龍格庫塔算法解四元數(shù)微分方程，得到四元數(shù)并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化得到;所述歐拉角中偏航角是通過陀螺儀z軸積分和磁力計(jì)輸出互補(bǔ)濾波得到。
[0009]所述姿態(tài)模塊融合中，對(duì)角速度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一階數(shù)字低通濾處理，對(duì)加速度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行IIR濾波處理。
[0010]所述藍(lán)牙通訊模塊為采用藍(lán)牙4.0協(xié)議的通訊方式。
[0011]所述音頻解碼模塊具體為￥31003、￥31011、￥31053、￥31063或￥31005的單片化]\033
編解碼芯片。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于九軸姿態(tài)融合算法的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):(I)本發(fā)明能夠根據(jù)使用者頭部的動(dòng)作來對(duì)手機(jī)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作，如接打電話、拍照、歌曲切換等，從而解決了人們在用手機(jī)并在駕駛或干其他事情時(shí)無法進(jìn)行音樂操作或接聽掛斷電話、手機(jī)拍照的問題，本發(fā)明還可以解決對(duì)于失去雙手的殘疾人進(jìn)行手機(jī)基本操作的問題。(2)本領(lǐng)域中受原理限制，單獨(dú)的陀螺儀、加速度傳感器或磁力計(jì)都無法全面的體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而本發(fā)明中將三者獲得的數(shù)據(jù)在姿態(tài)融合模塊中利用算法進(jìn)行融合，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以歐拉角的形式穩(wěn)定、準(zhǔn)確的體現(xiàn)。(3)本發(fā)明中通過九軸姿態(tài)融合算法，解決單獨(dú)嵌入加速度傳感器噪聲大和單獨(dú)嵌入陀螺儀傳感器零漂大的問題。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明提供的基于九軸姿態(tài)融合算法的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0014]圖2為加速度傳感器原始數(shù)據(jù)和融和后數(shù)據(jù)的對(duì)比圖；
[0015]圖3為陀螺儀原始數(shù)據(jù)和融合后數(shù)據(jù)的對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)具體的說明。
[0017]本發(fā)明提供的基于九軸姿態(tài)融合算法的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電源管理模塊以及與電源管理模塊相連接的姿態(tài)檢測模塊、姿態(tài)融合模塊、控制模塊、藍(lán)牙通信模塊和音頻解碼模塊，其中姿態(tài)檢測模塊用于檢測頭部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)，姿態(tài)檢測模塊與姿態(tài)融合模塊相連，姿態(tài)融合模塊將姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，姿態(tài)融合模塊、音頻解碼模塊、藍(lán)牙通信模塊均與控制模塊相連，控制模塊對(duì)融合后的姿態(tài)數(shù)據(jù)分析后得出對(duì)應(yīng)的控制指令并通過藍(lán)牙通信模塊將控制指令傳達(dá)到手機(jī)端，所述音頻解碼模塊將音頻數(shù)據(jù)流解碼并進(jìn)行語音播放。
[0018]在本實(shí)施例中，所述姿態(tài)檢測模塊由用于檢測頭部的三軸角速度和三軸加速度的數(shù)字式六軸IMU和用于檢測頭部磁偏航的數(shù)字式磁力計(jì)組成。所述數(shù)字式六軸IMU是基于I2C通信的整合型六軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速度傳感器的軸間差的問題，并減少了大量包裝空間，還可藉由第二個(gè)I2C端口橋接其他磁力計(jì)或其他傳感器。
[0019]本實(shí)施例中所述的姿態(tài)融合模塊采用歐拉角的形式刻畫頭部運(yùn)動(dòng)。在本領(lǐng)域中由于受到原理限制，單獨(dú)的陀螺儀、加速度傳感器或磁力計(jì)都無法全面的體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且存在單獨(dú)嵌入加速度傳感器出現(xiàn)噪聲大，單獨(dú)嵌入陀螺儀傳感器出現(xiàn)零漂大的問題，因此，需要將三者獲得的數(shù)據(jù)在姿態(tài)融合模塊中利用算法進(jìn)行融合，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以歐拉角的形式穩(wěn)定、準(zhǔn)確的體現(xiàn)。通過圖2，圖3數(shù)據(jù)對(duì)比曲線能夠較為清晰地看到融合的效果。其中，橫滾角和俯仰角是通過一階龍格庫塔算法解四元數(shù)微分方程，得到四元數(shù)并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化得至IJ;所述歐拉角中偏航角是通過陀螺儀z軸積分和磁力計(jì)輸出互補(bǔ)濾波得到。所述姿態(tài)模塊融合中對(duì)角速度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一階數(shù)字低通濾處理，對(duì)加速度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行IIR濾波處理。
[0020]本實(shí)施例中，控制模塊用于將姿態(tài)融合模塊得到的數(shù)據(jù)與預(yù)定義數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果查詢控制規(guī)則表，然后得出控制指令，通過藍(lán)牙傳輸模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)端；本實(shí)施例中的藍(lán)牙傳輸模塊采用的是低功耗、低延時(shí)、長距離的藍(lán)牙4.0協(xié)議。
[0021]所述音頻解碼模塊具體為￥51003、￥51011、￥51053、￥51063或￥51005的單片化]\033編解碼芯片。
[0022]下面將對(duì)本發(fā)明提供的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)的具體使用方法及原理進(jìn)行詳細(xì)的說明。本實(shí)施例的藍(lán)牙耳機(jī)可以感受到的頭部運(yùn)動(dòng)有點(diǎn)頭、仰頭、左點(diǎn)頭、右點(diǎn)頭、向左搖頭、向右搖頭;本藍(lán)牙耳機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的功能有上一曲、下一曲、暫停、播放、接通、掛斷、拍照。在實(shí)際應(yīng)用中，上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和功能可以有多種組合方式，用戶可以根據(jù)自己需要自定義，如本實(shí)施例中定義運(yùn)動(dòng)和功能的關(guān)系為向左搖頭表不上一曲，向右搖頭表不下一曲，如果首樂正在播放點(diǎn)頭表示暫停，如果音樂處于暫停點(diǎn)頭表示播放，仰頭表示拍照，左點(diǎn)頭表示接聽電話，右點(diǎn)頭表示掛斷電話。
[0023]下面以用戶左點(diǎn)頭表示接聽電話為例，詳細(xì)描述本發(fā)明的工作過程:
[0024]藍(lán)牙耳機(jī)上電后自動(dòng)與手機(jī)藍(lán)牙配對(duì)，藍(lán)牙耳機(jī)進(jìn)行初始化；
[0025]頂U(kuò)和磁力計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)，傳送至姿態(tài)融合模塊；
[0026]姿態(tài)融合模塊首先對(duì)來自姿態(tài)檢測模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，然后利用三軸加速度數(shù)據(jù)和三軸角速度數(shù)據(jù)求得四元數(shù)，再將四元數(shù)轉(zhuǎn)換為三個(gè)歐拉角，只取其橫滾角和俯仰角；偏航角通過磁力計(jì)輸出和陀螺儀z軸積分作互補(bǔ)濾波得來。
[0027]三個(gè)表示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的歐拉角傳送至控制模塊，控制模塊根據(jù)三個(gè)歐拉角的大小和正負(fù)與預(yù)定義數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，即俯仰角介于-15度和15度之間，偏航角介于-15度和15度之間，橫滾角介于-25度和-45度之間，得出當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)查詢控制規(guī)則表，得出對(duì)應(yīng)的控制指令一一此處為接通來電。
[0028]該指令對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流通過藍(lán)牙通信模塊傳送到手機(jī)端，控制手機(jī)執(zhí)行接通電話操作。
[0029]通過以上敘述過程可知，只要用戶執(zhí)行左點(diǎn)頭動(dòng)作，就可以控制手機(jī)接通來電，因此，按照類似的工作流程，藍(lán)牙耳機(jī)可以根據(jù)用戶的不同動(dòng)作控制手機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的功能。
[0030]以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實(shí)施例還可以做出各種變化。即凡是本發(fā)明申請的權(quán)利要求及說明書內(nèi)容所做的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明申請的權(quán)利要求保護(hù)范圍內(nèi)，本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于九軸姿態(tài)融合算法的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)，其特征在于包括電源管理模塊以及與電源管理模塊相連接的姿態(tài)檢測模塊、姿態(tài)融合模塊、控制模塊、藍(lán)牙通信模塊和音頻解碼模塊，其中姿態(tài)檢測模塊用于檢測頭部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)，姿態(tài)檢測模塊與姿態(tài)融合模塊相連，姿態(tài)融合模塊將姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，姿態(tài)融合模塊、音頻解碼模塊、藍(lán)牙通信模塊均與控制模塊相連，控制模塊對(duì)融合后的姿態(tài)數(shù)據(jù)分析后得出對(duì)應(yīng)的控制指令并通過藍(lán)牙通信模塊將控制指令傳達(dá)到手機(jī)端，所述音頻解碼模塊將音頻數(shù)據(jù)流解碼并進(jìn)行語音播放。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)，其特征在于:所述姿態(tài)檢測模塊由用于檢測頭部的三軸角速度和三軸加速度的數(shù)字式六軸頂U(kuò)和用于檢測頭部磁偏航的數(shù)字式磁力計(jì)組成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)，其特征在于:所述的姿態(tài)融合模塊采用歐拉角的形式刻畫頭部運(yùn)動(dòng)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)，其特征在于:所述歐拉角中橫滾角和俯仰角是通過一階龍格庫塔算法解四元數(shù)微分方程，得到四元數(shù)并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化得到;所述歐拉角中偏航角是通過陀螺儀z軸積分和磁力計(jì)輸出互補(bǔ)濾波得到。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)，其特征在于:所述藍(lán)牙通訊模塊為采用藍(lán)牙4.0協(xié)議的通訊方式。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度藍(lán)牙耳機(jī)，其特征在于:所述音頻解碼模塊具體為￥51003、￥51011、￥51053、￥51063或￥51005的單片化]\^3編解碼芯片。
【文檔編號(hào)】H04R1/10GK105872871SQ201610200440
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】張璐璐, 柏明明
【申請人】中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）