疏婷婷,周金霞
(安徽三聯(lián)學(xué)院,安徽 合肥 230601)
人體的運動狀態(tài)非常復(fù)雜,受到很多內(nèi)在和外在因素的影響。通過某種方式跟蹤人體的運動,實時收發(fā)人體運動時的重要數(shù)據(jù),根據(jù)收發(fā)的數(shù)據(jù)重構(gòu)人體的運動姿態(tài)是一種最有效、最便捷的方法來識別和監(jiān)控人體運動。描述人體運動姿態(tài)的參數(shù)有多種,如運動過程中的位移、速度、加速度等物理數(shù)據(jù);有心肌功能、肺功能、呼吸功能方面的生理數(shù)據(jù)。人體運動數(shù)據(jù)的實時捕捉是一項系統(tǒng)性工程,而且數(shù)據(jù)的分布面比較大,數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性也較弱,采用速度較快的處理芯片和優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法,對提高對人體運動姿態(tài)的實時分析和信息捕捉能力有很大幫助。
系統(tǒng)硬件包括電源模塊、單片機處理模塊、加速度傳感器模塊、壓力傳感器模塊、信號調(diào)理電路、信號處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊,系統(tǒng)總圖如圖1所示。單片機模塊是進行數(shù)據(jù)收集和處理的核心,加速度傳感器模塊和壓力傳感器模塊是對人體運動參數(shù)進行采集的模塊,采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理電路進行濾波和降噪,單片機接收經(jīng)過調(diào)理的信號,并對信號進行處理,處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)顯示端顯示。
圖1 系統(tǒng)總模塊圖
加速度傳感器模塊采用ADXL345芯片,可通過三線或四線的SPI總線與STM32單片機的SPI接口連接。ADXL345是一款完整的3軸加速度測量系統(tǒng),其可選擇的加速度測量范圍有±2g、±4g、±8g、和±16g,能夠檢測出不到 1°的傾斜角度變化,不僅能夠測量運動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度,也能夠測量靜態(tài)加速度,還能夠用作傾斜傳感器。ADXL傳感器的檢測軸如圖2所示。將ADXL加速度傳感器放在人體需要測量的部位,得到人體需要測量部位的加速度和角加速度數(shù)據(jù),用于判斷人體位姿變化。
圖2 ADXL345加速度傳感器檢測軸
將壓力傳感器放在人體的腳部位置,所以傳感器應(yīng)不影響人的步行行為。選用Tekscan公司生產(chǎn)的FlexiforceA201薄膜型壓力傳感器,其厚度為0.203mm,傳感器材料采用柔性材質(zhì),所以該傳感器具有良好的適應(yīng)性,能夠方便布置而不干擾人的行為。
信號調(diào)理電路的主要工作是完成信號的調(diào)理、濾波、放大、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳌?shù)據(jù)處理的主要方法包括小波分析和Kalman濾波等,Kalman濾波有時需要對噪聲信號構(gòu)建明確的模型,所以采用小波分析法對采集的數(shù)據(jù)信號進行去噪處理更為方便。
STM32F103ZET6是STM32系列單片機中的一種,是基于ARM的32位增強型通用性微控制器,集成了AD轉(zhuǎn)換功能,可直接進行AD數(shù)據(jù)的采集。STM32單片機需要對其功能進行配置才能正常使用,所以功耗也就比較低,使用STM32進行控制的場合逐漸增加。其部分性能參數(shù)如表1所示。
表1STM32F103ZET6部分性能參數(shù)
顯示器模塊可采用LCD液晶顯示,也可直接使用計算機顯示器,將STM32單片機處理后的數(shù)據(jù)可直接通過USART總線傳輸?shù)接嬎銠C,計算機能夠通過串口調(diào)試助手接收從單片機傳來的數(shù)據(jù),使用計算機顯示器更加方便使用和對數(shù)據(jù)的后期處理,如將接收到的數(shù)據(jù)用相關(guān)軟件計算得出人體的真實位姿等。
系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括:STM32時鐘初始化、加速度傳感器和壓力傳感器初始化、顯示器初始化、數(shù)據(jù)采集過程、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)處理和顯示與發(fā)送,如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
人體的運動狀態(tài)受到很多內(nèi)在和外在因素的影響,其數(shù)據(jù)的實時捕捉也是一項系統(tǒng)性工程。文章設(shè)計的系統(tǒng)硬件包括電源模塊,單片機處理模塊,加速度傳感器模塊,壓力傳感器模塊,信號調(diào)理電路,信號處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。采用STM32F103ZET6單片機進行數(shù)據(jù)收集和處理。加速度傳感器模塊和壓力傳感器模塊分別采用ADXL345芯片和FlexiforceA201薄膜型壓力傳感器。傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理電路進行濾波和降噪,單片機接收并使用小波分析處理經(jīng)過調(diào)理的信號,處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)顯示器端顯示和將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收器。
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