基于加速度傳感器的無線人體動(dòng)作測(cè)量設(shè)備

摘要：使用ADXL345三軸加速度傳感器、nRF24L01無線收發(fā)芯片及USB接口芯片CY7C68013與上位機(jī)構(gòu)建了一個(gè)人體動(dòng)作信息測(cè)量設(shè)備。該設(shè)備由5組相同的動(dòng)作測(cè)量模塊、1組數(shù)據(jù)接收模塊構(gòu)成。動(dòng)作測(cè)量模塊置于人體四肢及軀干測(cè)量人體動(dòng)作信息，數(shù)據(jù)接收模塊通過無線方式收集加速度數(shù)據(jù)，并通過USB芯片上傳給PC機(jī)，PC機(jī)計(jì)算出各部位的角度信息后繪制人體實(shí)時(shí)動(dòng)作模型。通過與實(shí)際人體動(dòng)作比較，該設(shè)備可以較好地反應(yīng)人體動(dòng)作情況，可以應(yīng)用于多種人機(jī)交互場合。
關(guān)鍵詞：ADXL345加速度傳感器；人體動(dòng)作信息；nRF24L01；CY7C68013

引言
長久以來，使用人體自然動(dòng)作與計(jì)算機(jī)交互一直是人機(jī)交互技術(shù)追求的目標(biāo)之一。目前主流的人機(jī)動(dòng)作交互技術(shù)有2種：視頻動(dòng)作識(shí)別技術(shù)和慣性器件動(dòng)作識(shí)別技術(shù)。
前者以Microsoft Xbox 360的Kinect視頻感應(yīng)器為代表，依靠攝像頭采集人體動(dòng)作視頻，通過識(shí)別算法進(jìn)行分析，可較準(zhǔn)確地識(shí)別人體動(dòng)作，但需要強(qiáng)大的硬件處理能力、復(fù)雜的軟件識(shí)別算法，而且對(duì)于多人、高復(fù)雜度動(dòng)作難以識(shí)別。后者的代表為任天堂的Wii mote手柄，主要依靠慣性器件反映出肢體的速度、位移及傾斜度。該技術(shù)算法簡單，識(shí)別精度較高，但需要佩戴傳感器模塊，可能給體驗(yàn)者帶來不適。識(shí)別動(dòng)作的復(fù)雜度與傳感器的數(shù)量、精度有關(guān)，如Wii mote局限在于僅能感知手部運(yùn)動(dòng)，隨著傳感器使用數(shù)量、種類的增加，精度的提高，人體各種快速、復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)都可被精確識(shí)別，這是視頻識(shí)別技術(shù)所難以達(dá)到的。
本文介紹的設(shè)備是使用加速度傳感器的無線人體動(dòng)作信息測(cè)量設(shè)備，在人體四肢及軀干同時(shí)佩戴5組測(cè)量設(shè)備，準(zhǔn)確反映人體各部分動(dòng)作情況，同時(shí)使用無線數(shù)據(jù)傳輸方式減少體驗(yàn)者的不適感。

1 測(cè)量原理
測(cè)量模塊放置于人體四肢及軀干，以右手為例。測(cè)量模塊放置于右手肘關(guān)節(jié)外側(cè)，根據(jù)重力在加速度傳感器三軸上的分量，可以計(jì)算出傳感器坐標(biāo)系與自然坐標(biāo)系的夾角，進(jìn)而得出傳感器所在手臂平面與自然坐標(biāo)系的夾角，根據(jù)三個(gè)夾角與傳感器到肩膀的固定位置，可以計(jì)算出傳感器所在手臂部位的空間位置。傳感器坐標(biāo)系與自然坐標(biāo)系夾角如圖1所示。

式中Ax為傳感器x軸加速度分量，Ay為傳感器y軸加速度分量，Az為傳感器z軸加速度分量。人體軀干直立，右手微抬時(shí)傳感器所在手臂與自然坐標(biāo)系的三個(gè)夾角如圖2所示。其中右手上白點(diǎn)代表傳感器。