李祥晨， 李 蕾， 張茉莉， 魏傳民， 張建文

(1. 國家體育總局體育科學(xué)研究所，北京 100061；2. 河北大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

人體6自由度運(yùn)動參數(shù)無線測試系統(tǒng)BTViewer的設(shè)計(jì)與開發(fā)

李祥晨1， 李 蕾2， 張茉莉1， 魏傳民1， 張建文1

(1. 國家體育總局體育科學(xué)研究所，北京 100061；2. 河北大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

為解決測試人體在三維空間中的關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)，自主設(shè)計(jì)了人體六自由度運(yùn)動參數(shù)測試系統(tǒng)BTViewer?；趹T性傳感器跟蹤技術(shù)，設(shè)計(jì)了整體的系統(tǒng)平臺工作流程，同時(shí)完成了相關(guān)算法。為降低誤差、減少漂移現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)采用集成的三軸加速度計(jì)、三軸磁力計(jì)的模塊LSM303DLH以及三軸陀螺儀動態(tài)采集樣本數(shù)據(jù)，通過無線裝置傳輸?shù)诫娔X，有效合理地對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將原始數(shù)據(jù)互補(bǔ)濾波之后解析成實(shí)際數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地得到人體六自由度運(yùn)動參數(shù)。最后，運(yùn)用Qt集成的OpenGL等模塊進(jìn)行曲線、三維等可視化顯示。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的要求，能夠較好地跟蹤人體6自由度運(yùn)動參數(shù)。

6自由度；慣性傳感器；互補(bǔ)濾波；可視化顯示

自19世紀(jì)80年代開始，人體運(yùn)動跟蹤在人體康復(fù)、運(yùn)動健身、學(xué)習(xí)動畫中被廣泛地應(yīng)用。越來越多的中風(fēng)或其他運(yùn)動殘疾的患者，開始利用運(yùn)動跟蹤來進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練?？祻?fù)運(yùn)動是一個(gè)動態(tài)康復(fù)的過程，使患者的運(yùn)動能力恢復(fù)正常[1]。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，患者的運(yùn)動行為不斷地被檢測和矯正。所以，檢測和跟蹤人體運(yùn)動在居家康復(fù)計(jì)劃中越來越重要[2]。而檢測和跟蹤人類運(yùn)動最有效的方法就是實(shí)時(shí)地獲得代表人體運(yùn)動的姿態(tài)角和位置[3]。

通常的跟蹤和定位技術(shù)主要包括視覺檢測、光學(xué)系統(tǒng)、超聲波、慣性跟蹤技術(shù)等[4]。其中，基于光學(xué)的跟蹤器[5]不適合健康看護(hù)；基于視覺、聲學(xué)的跟蹤器[6]不適合家庭使用；但是慣性跟蹤技術(shù)在人體運(yùn)動跟蹤中具有以下的優(yōu)點(diǎn)：不受跟蹤范圍的限制；跟蹤速度快；不受環(huán)境的干擾；傳感器的體積小便于攜帶[7]。所謂慣性跟蹤就是利用慣性傳感器來對目標(biāo)位置和朝向進(jìn)行跟蹤。加速度計(jì)、陀螺儀等慣性傳感器經(jīng)常在導(dǎo)航和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中被應(yīng)用[8]。但是，由于傳感器存在噪聲或者偏置，加速度計(jì)在估計(jì)速度或者方向的時(shí)候，會存在漂移現(xiàn)象，因此在整個(gè)跟蹤過程中需要進(jìn)行外部修正[9]。

在Williamson和Andrews[10]的研究中，僅利用一個(gè)三軸加速度計(jì)來測量人體動態(tài)情況下的關(guān)節(jié)點(diǎn)傾角，利用重力加速度來對系統(tǒng)跟蹤進(jìn)行修正，該方法在人體快速運(yùn)動的情況下優(yōu)于基于低通濾波器處理加速度計(jì)信號。Rehbinder和Hu[11]在其研究中描述了一種基于MEMS陀螺儀和MEMS加速度計(jì)的姿態(tài)解算算法，由于缺少額外的起到互補(bǔ)性的傳感器(磁力計(jì))，故在航向角上存在不可避免的角度漂移。2005年Zhou等[12]發(fā)現(xiàn)了一種新穎的人體上肢運(yùn)動跟蹤的方法，提出了一種基于模擬退火的優(yōu)化方法[13]。為了抑制噪聲，Zhou和Hu[14]利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器融合了加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明能夠在一定程度上減少噪聲和漂移，但是計(jì)算量較大。

為了更好地跟蹤人體運(yùn)動，本文提出一種基于加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀的可綁定在用戶身上的BTViewer測試跟蹤系統(tǒng)。利用加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀組成慣性跟蹤系統(tǒng)來測量人體運(yùn)動 6自由度信息(姿態(tài)角、加速度)，很好地降低了噪聲，一定程度上避免了漂移現(xiàn)象。該系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)借助于串口無線接收模塊實(shí)時(shí)傳送到PC機(jī)，同時(shí)開發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集的軟件，具有接收、保存、顯示、傳感器標(biāo)定、數(shù)據(jù)濾波等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的慣性傳感器采用了將三軸磁力計(jì)和三軸加速度計(jì)集成在一個(gè)封裝的二合一傳感器模塊LSM303DLH[15]里，三軸陀螺MPU-3050[16]采集加速度值、角速度值等參量，控制器采用的是CC430。為方便測量，簡化人體設(shè)備穿戴，本系統(tǒng)采用多節(jié)點(diǎn)無線傳輸，將傳感器穿戴在人體適當(dāng)部位作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，接收端通過USB線與PC機(jī)相連，完成數(shù)據(jù)采集傳輸，進(jìn)而在PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。LSM303DLH和MPU-3050通過I2C總線與單片機(jī)相連，如圖1所示。

圖1 硬件連接示意圖

LSM303DLH集成三軸磁力計(jì)和三軸加速度計(jì)，采用數(shù)字接口。磁力計(jì)傳感器的測量范圍從1.3～8.1 gauss共分7檔，用戶可以自由選擇。并且在20 gauss以內(nèi)的磁場環(huán)境下都能夠保持一致的測量效果和相同的敏感度。其分辨率可以達(dá)到8 m/gauss并且內(nèi)部采用12位ADC，以保證對磁場強(qiáng)度的精確測量。采集頻率為75 Hz，和采用霍爾效應(yīng)原理的磁力計(jì)相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，并且不需要溫度補(bǔ)償。作為高集成度的傳感器模組，除了磁力計(jì)以外，LSM303DLH還集成高性能的加速度計(jì)。加速度計(jì)同樣采用12位ADC，可以達(dá)到1 mg的測量精度。加速度計(jì)可運(yùn)行于低功耗模式，并有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。同時(shí)，加速度計(jì)還集成了6軸方向檢測，兩路可編程中斷接口。

2 開發(fā)

人體運(yùn)動數(shù)據(jù)可視化獲取系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)單片機(jī)軟件和基于PC的上位機(jī)分析應(yīng)用軟件，這里只介紹上位機(jī)分析應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和調(diào)試采用 C++語言編程，使用 Qt軟件對程序進(jìn)行編輯、編譯和調(diào)試，流程圖如圖 2所示。該軟件的主要功能有：① 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收；② 對獲取到人體不同運(yùn)動環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；③ 對讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理；④ 在線顯示2D波形曲線，3D姿態(tài)顯示；⑤ 在線進(jìn)行陀螺儀零偏補(bǔ)償，磁力計(jì)環(huán)境磁場補(bǔ)償；⑥ 數(shù)據(jù)記錄。

圖2 數(shù)據(jù)接收示意圖

2.1 數(shù)據(jù)接收

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收，即將硬件系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收到PC中。數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收是以包為單位的，通過串口接收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解包，解析到加速度計(jì)、陀螺儀、地磁計(jì)各3個(gè)軸的值，共9個(gè)原始數(shù)據(jù)，以及航向角、翻滾角、俯仰角 3個(gè)姿態(tài)角，共計(jì)12個(gè)數(shù)據(jù)。

2.1.1 串口接收程序

要能接收到數(shù)據(jù)，首先要編寫串口接收程序以便實(shí)現(xiàn)硬件與PC間的數(shù)據(jù)交互。程序的實(shí)現(xiàn)主要用到了以下 3個(gè)文件：Pcomm.h、Pcomm.lib和Pcomm.dll。將Pcomm.Lib添加到工程，這個(gè)文件主要用于指定 Pcomm.dll中各個(gè)功能函數(shù)的入口及地址，Pcomm.lib就像一個(gè)地圖指出目的地的路標(biāo)，而真正的函數(shù)是在Pcomm.dll中的。當(dāng)然，為了方便調(diào)用，還要得到Pcomm.dll中的函數(shù)聲明，這些函數(shù)聲明就在Pcomm.h這個(gè)頭文件中。本程序的接收界面如圖3所示。

通過界面可以設(shè)置串口號、波特率等，點(diǎn)擊打開按鈕就會調(diào)用相應(yīng)函數(shù)打開已選端口，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收并將解析后的數(shù)據(jù)做簡單顯示。

圖3 程序接收界面

2.1.2 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)及解析

數(shù)據(jù)是以十六進(jìn)制數(shù)形式接收的，對于單個(gè)傳感器來說，每個(gè)數(shù)據(jù)包有28個(gè)字節(jié)，包括包頭碼、數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)碼。其中，包頭碼占 2個(gè)字節(jié)，為固定值FEFE；數(shù)據(jù)段占24個(gè)字節(jié)，包含了3個(gè)姿態(tài)角，9個(gè)傳感器原始數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)占2個(gè)字節(jié)；校驗(yàn)碼占2個(gè)字節(jié)，為數(shù)據(jù)位連加的和。

在實(shí)驗(yàn)過程中，要研究各個(gè)部位的姿態(tài)以及姿態(tài)的變化，一個(gè)傳感器通常是不能滿足實(shí)驗(yàn)要求的，這就涉及到多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)接收。多傳感器的數(shù)據(jù)接收和單個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)接收是類似的，是以包為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包里包含了多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，包的長度比單個(gè)的要大。

根據(jù)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)就能很容易對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。接收到數(shù)據(jù)包以后，依次讀包頭、數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)碼，主要對數(shù)據(jù)段進(jìn)行處理，它包含了一包數(shù)據(jù)的主要信息。由于單片機(jī)是以八位字節(jié)發(fā)送的，而每個(gè)數(shù)據(jù)(如某個(gè)姿態(tài)角、某個(gè)軸的輸出值)是十六位的，首先要將相鄰的兩個(gè)八位經(jīng)過移動組合成十六位，得到碼值，再將碼值乘以量程得到實(shí)際輸出值。

2.1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

人在一般情況下的活動是較慢的，姿態(tài)解算系統(tǒng)在人體姿態(tài)跟蹤測試過程中采集到的信號頻率較低，為了對人體細(xì)小動作的精確捕捉，MEMS傳感器的敏感度都比較高。由于IIR數(shù)字濾波器使用了輸入輸出反饋，因此，實(shí)際的應(yīng)用中使用較低的階次就可以到達(dá)需求，在濾波器的設(shè)計(jì)過程中只需選擇滿足要求的截止頻率和足夠大的阻帶衰減就可完成去噪。由于在IIR數(shù)字濾波器去噪過程中運(yùn)算次數(shù)較少且本身設(shè)計(jì)不是很復(fù)雜，因此，適用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。于是，在本實(shí)驗(yàn)中使用 3階 Butterworth低通數(shù)字濾波器進(jìn)行消除[17]。

圖4為數(shù)據(jù)預(yù)處理圖。

圖4 數(shù)據(jù)預(yù)處理截圖

從圖4中可以看出，通過低通濾波器去噪后，高頻噪聲有效地被消除，為進(jìn)一步進(jìn)行誤差補(bǔ)償和姿態(tài)結(jié)算提供了保障。

2.1.4 基于互補(bǔ)濾波器的四元數(shù)姿態(tài)解算法

在人體姿態(tài)測量中常用的濾波器有互補(bǔ)濾波器[18]和卡爾曼濾波器[19]?；パa(bǔ)濾波器對具有分明的高頻和低頻噪聲輸入信號進(jìn)行融合有著很好的效果，而且相對于卡爾曼濾波，互補(bǔ)濾波器在結(jié)構(gòu)上簡單。本系統(tǒng)采用基于互補(bǔ)濾波器的四元數(shù)算法進(jìn)行姿態(tài)解算?；パa(bǔ)濾波器的主要構(gòu)架如圖5所示。利用兩個(gè)傳感器感測同一個(gè)物理量，但各自具有不同的頻率噪聲。S1是傳感器 1所量測到的信號，其中包括一個(gè)待量測信號 S加上一個(gè)低頻噪聲N1；S2是傳感器2所量測到的信號，其中包括一個(gè)待量測信號S加上一個(gè)高頻噪聲N2。

圖5 互補(bǔ)濾波器的主要架構(gòu)

一階開路系統(tǒng)的低通濾波器，如圖6所示。其中 Glpf(s)為轉(zhuǎn)移函數(shù)，T為時(shí)間常數(shù)， U(s)為輸入信號， Y(s)為輸出信號，則數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖6 一階低通濾波器

利用互補(bǔ)濾波器進(jìn)行姿態(tài)解算，其計(jì)算量小、占用內(nèi)存少、響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)勢使其被應(yīng)用于線速度不是很劇烈的人體動作姿態(tài)測試研究中。

2.2 數(shù)據(jù)顯示

數(shù)據(jù)顯示，即將獲取到的人體運(yùn)動信息(姿態(tài)角、加速度)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示，可具體顯示每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)曲線，三維顯示等，見圖7~10。

圖8 BTViewer人體6自由度測試系統(tǒng)在上位機(jī)中的加速度波形曲線圖

圖9 測試系統(tǒng)在上位機(jī)中地磁強(qiáng)度曲線圖

圖10 測試系統(tǒng)在上位機(jī)中角速度曲線圖

2.3 數(shù)據(jù)保存

雖然Qt的Sql模塊對數(shù)據(jù)庫有很好的支持，但數(shù)據(jù)庫操作相對文本操作比較麻煩，這里選擇文本保存。這樣做的目的是：① 可以對獲取的加速度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行方便的保存；② 將獲取的加速度信息保存成txt文本，可以方便以后的讀取和使用，并能將獲取到的加速度信息在其他軟件平臺下自由使用，比如可以在工程分析軟件 Matlab 環(huán)境下進(jìn)行使用。保存界面如圖11所示。

圖11 保存界面

2.4 芯片的在線標(biāo)定與補(bǔ)償

MEMS傳感器由于體積小、價(jià)格低、制造工藝較簡單，故在性能上存在精度低、噪聲高、誤差大等不足。因此為精確的實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算測量，需對所用 MEMS傳感器進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償。影響MEMS傳感器精度的誤差源不外乎來自兩個(gè)方面：傳感器本身誤差和外界環(huán)境干擾。

常用的磁力計(jì)補(bǔ)償方法主要有：羅差法、簡單標(biāo)定算法和最小二乘法。本文采用最小二乘法對磁場進(jìn)行標(biāo)定，其誤差補(bǔ)償模型如下：

式(5)中，Mm_ 為3×3的偏移矩陣；M_SCi是比例因子；M_OSi是硬磁場補(bǔ)償值；Msi_ 軟磁場引起的轉(zhuǎn)化矩陣；M(x, y, z)為磁力計(jì)輸出值；M(x1, y1, z1)為校正后的值。采用立體 8字校準(zhǔn)法采集標(biāo)定環(huán)境中的磁場數(shù)據(jù)，進(jìn)而，利用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到補(bǔ)償系數(shù)。加速度計(jì)與陀螺儀也采用類似的方法進(jìn)行標(biāo)定。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了在線標(biāo)定窗口如圖12所示。

圖12 標(biāo)定窗口

2.5 3D顯示模型軟件

三維顯示用到的是OpenGL，Qt中集成了該模塊。OpenGL是行業(yè)領(lǐng)域中最為廣泛接納的2D/3D圖形API，其自誕生至今已催生了各種計(jì)算機(jī)平臺及設(shè)備上的數(shù)千優(yōu)秀應(yīng)用程序，OpenGL是獨(dú)立于視窗操作系統(tǒng)或其他操作系統(tǒng)的，亦是網(wǎng)絡(luò)透明的，它的英文全稱是“Open Graphics Library”，顧名思義，OpenGL便是“開放的圖形程序接口”，是個(gè)與硬件無關(guān)的軟件接口，可以在不同的平臺之間進(jìn)行移植。因此，支持OpenGL的軟件具有很好的移植性，可以獲得非常廣泛的應(yīng)用。

運(yùn)用Qt的OpenGL模塊顯示效果如圖13。

圖13 三維顯示

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步分析該系統(tǒng)的可行性和測試精度，實(shí)驗(yàn)中將基于Nikon DTM-452C全站儀光學(xué)標(biāo)記方法[21]測得的姿態(tài)角作為參考?？蓪⑤敵龅淖藨B(tài)角與BTViewer系統(tǒng)的人體6自由度中的姿態(tài)角進(jìn)行比較。結(jié)果表明，當(dāng)人體在任意方向運(yùn)動時(shí)，基于光學(xué)標(biāo)記和 BTViewer系統(tǒng)所測得的姿態(tài)角(俯仰角、航向角、橫滾角)基本一致，光學(xué)系統(tǒng)與BTViewer系統(tǒng)的橫滾角輸出曲線如圖14。

圖14 橫滾角波形曲線對比圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證人體 6自由度測試系統(tǒng)BTViewer的可行性和準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)在基于OpenGL下的3D演示軟件和基于dirtect X下的人體三維仿真系統(tǒng)中顯示 BTViewer系統(tǒng)的姿態(tài)信息，并和實(shí)際的人體運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行對比。單個(gè)傳感器系統(tǒng)姿態(tài)測試演示如圖15。

圖15 單個(gè)傳感器系統(tǒng)姿態(tài)測試演示

多個(gè)姿態(tài)測試單元組合測試人體姿態(tài)演示如圖16所示，能夠清晰地看到，BTViewer系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確及時(shí)地跟蹤人體運(yùn)動，而且，具有便攜性，能夠隨身攜帶獲得運(yùn)動數(shù)據(jù)。

圖16 多個(gè)姿態(tài)測試單元組合測試人體姿態(tài)演示

4 結(jié) 論

本文主要介紹了人體 6自由度測試系統(tǒng)BTViewer的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并且進(jìn)行了人體動作的實(shí)時(shí)捕捉。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于對傳感器數(shù)據(jù)的獲取，將這些信息由無線發(fā)送到接收端，利用PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將人體運(yùn)動數(shù)據(jù)解算成姿態(tài)角與加速度，并且進(jìn)行可視化顯示。

當(dāng)然該平臺中還存在一系列待解決的問題，如時(shí)間延時(shí)，抗外界干擾性能不足，無線傳感器之間的相互干擾等，需進(jìn)一步對底層的傳感器進(jìn)行優(yōu)化和預(yù)處理，研究與改進(jìn)上層算法。

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Human Body 6 Degree of Freedom Motion Parameters BTViewer Wireless Testing System Design and Development

Li Xiangchen1, Li Lei2, Zhang Moli1, Wei Chuanmin1, Zhang Jianwen1
(1. China Institute of Sports Science, Beijing 100061, China; 2. The Art institute of Hebei University, Baoding Hebei 071002, China)

In order to solve the test joint movement parameters of the human body in three-dimensional space, this paper puts forward a kind of independent design BTViewer six degrees of freedom motion parameters testing system of the human body. Based on the inertial sensor tracking technology, the working process of the overall design of the system platform, implement the algorithms at the same time. In order to reduce error and drift phenomenon, this experiment adopts the integrated three-axis accelerometer, the module LSM303DLH three-axis magnetometer and dynamic triaxial gyro samples data, transmitted to the computer via a wireless device, at the same time, the efficient of the collected data preprocessing, and complementary to the original data parsed into actual data after filtering, six degrees of freedom motion parameters accurately by the human body. Finally, using Qt integration of OpenGL to curve and 3D visualization display module. The design of the experiment show that the system has reached the expected requirement, 6 degree of freedom motion parameters can well track the human body.

6 degrees of freedom; inertial sensor; complementary filter; visual display

TP 391.9

A

2095-302X(2014)05-0780-07

2014-08-11；定稿日期：2014-08-20

李祥晨(1974–)，男，山東陽谷人，高級工程師，博士。主要研究方向?yàn)轶w育系統(tǒng)仿真、體育智能儀器器材。E-mail：lixiangchen@ciss.cn