基于MEMS六軸傳感器的可穿戴運動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

　　現(xiàn)在市面上的可穿戴設(shè)備越來越多，對于可穿戴設(shè)備，尤其是手腕式的可穿戴設(shè)備的競爭日益激烈。對于可穿戴設(shè)備的研究核心在于可穿戴傳感器的研究?？纱┐髟O(shè)備的功能日趨強(qiáng)大與其內(nèi)部使用的可穿戴傳感器數(shù)量的增加和性能提高息息相關(guān)。本文基于MEMS 六軸傳感器技術(shù)，目的在于設(shè)計出一套可以用于運動軌跡檢測的可穿戴設(shè)備。利用現(xiàn)有的藍(lán)牙4.0 技術(shù)，將六軸傳感器收集到的數(shù)據(jù)實時傳送到上位機(jī)，通過MATLAB 等仿真軟件以及合理的數(shù)據(jù)處理，得到最接近現(xiàn)實的運動軌跡。

　　可穿戴運動監(jiān)測系統(tǒng)是可穿戴計算在體育領(lǐng)域的典型應(yīng)用，可穿戴運動監(jiān)測系統(tǒng)旨在不妨礙用戶運動的前提下，為用戶提供連續(xù)、準(zhǔn)確的運動監(jiān)測功能。國內(nèi)外學(xué)者已在該研究領(lǐng)域做了大量的工作，研制出許多相關(guān)的設(shè)備和應(yīng)用。然而這些設(shè)備或者應(yīng)用不是體育專家，并不能真正根據(jù)這些信息給出準(zhǔn)確的建議，只能根據(jù)這些信息給出大致運動評估。另一方面，由于缺乏大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理能力、多維度的數(shù)據(jù)分析能力，以及深入的數(shù)據(jù)挖掘能力，即便收集的數(shù)據(jù)里蘊含大量有用信息，甚至包括可以直接用于分析運動的數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)處理挖掘能力問題，也會被海量數(shù)據(jù)淹沒。

　　鑒于此，文中提出了一種新的可穿戴系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于MEMS 六軸傳感器，通過采集物體在運動過程中產(chǎn)生的以六軸傳感器為校準(zhǔn)點的三軸加速度和三軸角速度，通過藍(lán)牙4.0無線傳輸?shù)脚鋫淞怂{(lán)牙USBdongle 的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和軌跡模擬。

　　1 可穿戴運動監(jiān)測系統(tǒng)基本原理

　　本文中的可穿戴運動監(jiān)測系統(tǒng)建立于仿真運動軌跡的慣性技術(shù)的基礎(chǔ)上，主要通過運動傳感器實現(xiàn)。本系統(tǒng)主要采用了倆種運動傳感器：三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器。加速度傳感器用來測量運動物體的加速度，作為計算速度和位移的原始數(shù)據(jù)。陀螺儀用來測量于東物體的角速度，以此確定三維空間中運動物體的加速度傳感器的參考坐標(biāo)系，有利于位移軌跡的計算。

　　1.1 加速度傳感器工作原理

　　加速度是表征物體在空間運動本質(zhì)的一個基本物理量，可以通過測量加速度來測量物體的運動狀態(tài)。加速度傳感器的基本原理可以由圖1 說明，其中m 是指方塊的質(zhì)量，k 是彈簧的剛度，c 是阻尼器與儀表殼相連。

　　圖1：加速度傳感器的工作原理圖

　　傳感器基座與被測運動體相固聯(lián)，因而隨運動物體一起相對于慣性空間的某一參考點作相對運動。由于檢測質(zhì)量塊不與傳感器基座固聯(lián)，因而在慣性力作用下將與儀表機(jī)殼產(chǎn)生相對位移。檢測質(zhì)量塊感受加速度并產(chǎn)生于加速度成比例的慣性力，從而使彈簧產(chǎn)生與質(zhì)量塊相對位移相等的伸縮變形，彈簧變形又產(chǎn)生與變形量成比例的反作用力。當(dāng)慣性力與彈簧反作用力相平衡時，檢測質(zhì)量塊相對于基座的位移與加速度成正比，故可通過該位移或慣性力來測量加速度。

　　根據(jù)胡克定律，公式如下：

　　Δx=x0-x （1）

　　F=kΔx=ma （2）

　　Δx 是檢測質(zhì)量塊的相對位移。由上式可知，檢測質(zhì)量塊的相對位移量Δx 與加速度a成正比。

　　1.2 陀螺儀工作原理

　　陀螺儀（gyroscope） 的原理就是一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指方向在不受外力是不會改變的。就像一個陀螺在高速旋轉(zhuǎn)的時候是不會倒下。但是陀螺儀工作的實收是必須要給它一個力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，旋轉(zhuǎn)速率一般要達(dá)到幾十萬轉(zhuǎn)，這樣就能工作很長時間。采用多種方法讀取軸的信息，并將信號傳給控制系統(tǒng)前，進(jìn)而進(jìn)行分析和處理。

　　1.3 MEMS六軸傳感器工作原理

　　MEMS慣性傳感器采用集成電路的工藝，以其獨特的加工工藝區(qū)別于其他慣性傳感器。優(yōu)點在于可靠性高、制造成本低廉、并且壽命更長。同時還具有重量輕、易集成、耗電量低、體積小、能大批量生產(chǎn)的特點。MEMS 傳感器在同一個芯片上進(jìn)行信號傳輸前可放大信號，提高信號水平，減小干擾和傳輸噪聲。特別是同一芯片上進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換時，更能改善信噪比。

　　MEMS 六軸傳感器是由一個三軸陀螺儀傳感器和一個三軸加速計傳感器集成在同一個芯片上，可以實時輸出陀螺儀和加速計讀取到的數(shù)據(jù)。加速計的原理和傳統(tǒng)的原理形似。三軸陀螺儀的工作原理則與傳統(tǒng)的陀螺儀原理不同，傳統(tǒng)的陀螺儀理論依據(jù)是角動量守恒定律。不停轉(zhuǎn)動的物體，他的轉(zhuǎn)軸指向是不隨它原本的支架的轉(zhuǎn)動而變化的。MEMS 陀螺儀是利用科里奧式力，物體被驅(qū)動，不停的來回做頸向運動，科里奧式力就不在橫向來回變化。

　　2 可穿戴硬件系統(tǒng)的設(shè)計

　　本硬件系統(tǒng)的主要組成是由傳感器的數(shù)據(jù)采集和藍(lán)牙射頻倆部分構(gòu)成。傳感器部分主要由六軸傳感器MPU6050 和氣壓溫度傳感器BMP180，藍(lán)牙芯片選用TI 公司的CC2541。MPU6050 和BMP180 通過I2C 總線和CC2541相連，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給藍(lán)牙芯片。藍(lán)牙芯片再通過板子上的巴倫濾波器和陶瓷天線將收集到的數(shù)據(jù)傳輸出去。詳細(xì)系統(tǒng)原理圖2。將倆部分電路集成在同一個電路板在上，制作出一套開穿戴開發(fā)平臺，如圖3。通過這套自行研發(fā)的開發(fā)平臺，可以做大量軌跡實驗，為下一步的軌跡模擬提供了實驗環(huán)境保證。

　　圖2（a）：系統(tǒng)電路原理圖CC2541 部分

　　圖2（b）：系統(tǒng)電路原理圖傳感器部分

　　圖3：可穿戴開發(fā)設(shè)備

　　3 運動軌跡仿真系統(tǒng)設(shè)計

　　基于已有的可穿戴開發(fā)平臺，本仿真系統(tǒng)通過對運動軌跡產(chǎn)生的加速度信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對采集到的信號進(jìn)行預(yù)處理之后完成對加速度積分以及后期的誤差補(bǔ)償，最后實現(xiàn)對運動軌跡的1:1 的仿真。

　　仿真系統(tǒng)主要分為三個主要部分：六軸傳感器、藍(lán)牙和上位機(jī)處理。六軸傳感器主要包括三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀，分別對運動過程中產(chǎn)生的加速度信號和角速度信號進(jìn)行采集；藍(lán)牙主要負(fù)責(zé)接收六軸傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙信號輸出給上位計算機(jī)；上位機(jī)處理主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的功能。

　　仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

　　圖4：仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　4 運動軌跡仿真實驗測試結(jié)果

　　通過藍(lán)牙芯片，限定六軸傳感器的采集速率為每秒20 組數(shù)據(jù)，一組六個值包括三個加速度值和三個角速度值，每個值包括16 個字節(jié)。將采集到的原始數(shù)據(jù)直接通過藍(lán)牙傳輸發(fā)送到計算機(jī)中進(jìn)行處理，然后通過MATLAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和軌跡仿真。如圖5，確定坐標(biāo)系。

　　圖5：傳感器的坐標(biāo)系示意圖

　　4.1 靜止?fàn)顟B(tài)

　　在完全靜止?fàn)顟B(tài)下，將可穿戴開發(fā)平臺放置水平桌面，Z 軸方向垂直于水平桌面，與重力方向重合。理論上講，加速度值在X 軸和Y 軸輸出為0，Z 軸輸出為1g；陀螺儀的輸出應(yīng)該全部為0。但是由于隨機(jī)噪聲的存在，輸出值應(yīng)該有一定的偏差。測量30s 得到的600組數(shù)據(jù)。選擇其中的10 組如下表。示意圖如表1。

　　表1

　　4.2 勻速狀態(tài)

　　選取XYZ 三個軸中的X 軸，沿X 軸做勻速直線運動，采集傳感器得到的數(shù)據(jù)。將可穿戴開發(fā)平臺沿X 軸方向勻速移動19s，共采集到380 組數(shù)據(jù)，選其中10 組數(shù)據(jù)如表2。

　　表2

　　5 結(jié)論

　　本可穿戴開發(fā)平臺設(shè)計是基于MEMS 六軸傳感器MPU6050 的基本原理，并且結(jié)合了藍(lán)牙的傳輸技術(shù)，可以方便、快速的將運動采集到的數(shù)據(jù)快速的傳輸?shù)絇C 上。采集到的數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于后期可穿戴計算的研究。