(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710300)

0 引言

20世紀末，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)快速發(fā)展，部分可穿戴式設(shè)備已經(jīng)從概念化進入商用化[1]。2010年智能可穿戴相關(guān)產(chǎn)品開始逐漸成為產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)熱點，2012年由于谷歌眼鏡的研發(fā)，智能可穿戴設(shè)備成為了下一個熱點智能終端產(chǎn)業(yè)，并廣泛得到市場各界人士認同[2]。隨著整個產(chǎn)業(yè)逐步成熟發(fā)展，智能可穿戴設(shè)備不斷推陳出新，產(chǎn)品形式更加豐富多樣。伴隨著生活節(jié)奏加快和我國逐漸進入老齡化社會，現(xiàn)代人更加注重身體健康，可穿戴設(shè)備能對人體進行長期控制，可為醫(yī)院治療提供數(shù)據(jù)支持，用戶對此類智能穿戴設(shè)備認知度大幅提高，其需求受到積極影響，而且移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，使大數(shù)據(jù)得以應(yīng)用，為可穿戴人機交互設(shè)備信息控制提供了必要條件[3]。

傳感應(yīng)用可穿戴人機交互設(shè)備日趨成熟，隨著傳感器高效化、智能集成化、可視化和多功能發(fā)展，采用傳統(tǒng)二維表面信息控制模型受到觸控交互局限性，導(dǎo)致控制效果較差，因此，以慣性傳感器為主，設(shè)計了可穿戴人機交互設(shè)備信息控制模型。

1 慣性傳感器可穿戴人機交互空間

慣性傳感器通過作用力引起傳感器內(nèi)部敏感元件發(fā)生變形，通過測量變形量，并利用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出，得到相應(yīng)的加速度信號，進而了解運動物體的運動狀態(tài)[4]。帶上可穿戴人機交互設(shè)備在行走或跑步時，設(shè)備隨之移動，慣性傳感器能記錄移動頻率，根據(jù)步頻可估算出人的速度、一段時間內(nèi)的前進距離和消耗熱量，從而達到人體步數(shù)、行走距離和消耗的卡路里等運動量和睡眠時間、睡眠周期等睡眠質(zhì)量的監(jiān)控。通過監(jiān)測心率來追蹤運動強度，不同的運動訓(xùn)練模式等，并可以據(jù)其推算睡眠周期等關(guān)聯(lián)健康行動數(shù)據(jù)。通常慣性傳感器分為二軸、三軸、六軸、九軸，其中二軸慣性傳感器采用游絲擺錘式機械式的，能夠同時檢測兩個方向(x，y)上的加速度，相對來說不夠準確；三軸慣性傳感器采用電子式的，能夠同時檢測設(shè)備在三個方向(x，y，z)上的加速度，能更精準地檢測出用戶的運動狀態(tài)；六軸慣性傳感器可實時輸出陀螺儀和加速計讀取到的數(shù)據(jù)；九軸慣性傳感器，是一種組合慣性傳感器，可提升可穿戴裝置性能[5]。

在理想狀態(tài)下，如果對人體運動追蹤足夠準確，其運動軌跡是在空間中的連續(xù)曲線上，具有時間和空間連續(xù)性[6]。進入交互空間后，時間是具有連續(xù)性的，根據(jù)該特點可對任何一個時間點進行軌跡信息記錄；而空間連續(xù)性可用三維空間一條連續(xù)的曲線所描述，不會出現(xiàn)間斷。人機交互設(shè)備接觸與控制動作實際上是整個空間連續(xù)性的表達結(jié)果，在進行人體工作識別時，應(yīng)將多段交互行為上的軌跡作為整個空間交互行為中的一部分。充分考慮平面接觸前、后整個過程的交互行為，因此，基于時間和空間連續(xù)性，將表面觸控當作三維交互動作，形成人體在表面與空間內(nèi)部的行為。在通常情況下，隨著慣性傳感器設(shè)備數(shù)量的增加，各個交互通道帶寬之和就是交互設(shè)備信息帶寬總計，受到傳輸速率影響，慣性傳感器數(shù)量越來越多，交互能力就越來越弱。為了滿足多個點的智能控制，需使用電容交互技術(shù)顯示在屏幕表面；而離開屏幕表面的節(jié)點，需利用自電容感應(yīng)技術(shù)進行控制[7]。由于單個設(shè)備交互層可包括壓力、面積多個信息，具有較高精度，而多個設(shè)備交互層包含了交互表面和大部分連續(xù)空間，只有不斷進行切換，才會保證交互帶寬與起始帶寬大小一致。多個設(shè)備交互層的交互空間包含了表面空間，優(yōu)于最頂層，具備接近表面層的交互帶寬，能夠獲取更大交互自由度[8]。

2 基于人機交互空間信息分層處理

傳感器是可穿戴設(shè)備的核心器件，是人與物溝通的 “芯”，是開啟“感知時代”的大門，是產(chǎn)品功能差異化的重要硬件。以運動腕帶的智能穿戴設(shè)備為例，可以實時記錄和評估人體活動和健康狀況，包括實時記錄運動量、消耗的卡路里、監(jiān)測心率、血壓、睡眠質(zhì)量甚至是紫外線指數(shù)，還可以支持藍牙通話、定位跟蹤等功能。

基于人機交互空間信息分層處理，是在連續(xù)交互空間內(nèi)對表面行為和混合行為進行統(tǒng)一處理，具體處理流程如圖1所示。

圖1 連續(xù)交互空間分層處理流程

由圖1可知：層次模型的構(gòu)建是在交互空間基礎(chǔ)上，分別對應(yīng)空中動作形態(tài)輸入、表面動作形態(tài)輸入、多個設(shè)備形態(tài)輸入[9]。人機交互設(shè)備可負責(zé)獲取輸入感知和輸出反饋信息，通過多個傳感器能夠感應(yīng)不同層次人體行為輸入的實時空間位置信息，對于同一動作行為輸入，需要使用多個慣性傳感器來感應(yīng)，因此，只有多個慣性傳感器感知條件下，才可進行數(shù)據(jù)自由匹配，并對多個慣性傳感器下的不同層次空間手勢進行數(shù)據(jù)采集，進而對輸入位置點進行轉(zhuǎn)換。

緩存人機交互設(shè)備空間位置點信息，在一定條件內(nèi)設(shè)置策略，使其形成輸入信息軌跡，并對軌跡進行切分處理。對切分后軌跡進行裝配與分類，并識別人體動作行為輸入類型，根據(jù)行為輸入類型的不同，連接分段軌跡，依據(jù)人機交互應(yīng)用屬性分析軌跡信息，并對其進行表面投影操作，形成交互原語，為人機交互設(shè)備信息控制模型建立奠定基礎(chǔ)。

3 人機交互設(shè)備信息控制模型建立

利用可穿戴技術(shù)可將多媒體信息與無線通信技術(shù)結(jié)合起來，并嵌入交互設(shè)備之中，對人的手勢和眼動操作交互方式進行控制。為了能夠更好理解人機交互過程，根據(jù)上述提供的分層處理結(jié)果，結(jié)合光學(xué)心率傳感器、皮電反應(yīng)傳感器、血壓傳感器和生物電阻抗傳感器對慣性傳感器對可穿戴人機交互設(shè)備信息控制模型進行設(shè)計。該模型可分為4個具體傳感階段，7個控制步驟，如果控制模型能夠正確反映執(zhí)行者交互行為動作，則說明該模型能夠有效對人機交互設(shè)備信息進行控制。

1)具體傳感階段：光學(xué)心率傳感器可通過監(jiān)測心率來追蹤運動強度，不同的運動訓(xùn)練模式等，并可以據(jù)其推算睡眠周期等關(guān)聯(lián)的健康行動數(shù)據(jù)；由于人類皮膚是一種導(dǎo)電體，皮膚電阻隨著汗腺機能變化而變化，因此皮電反應(yīng)傳感器工作原理為：人體由于交感神經(jīng)興奮，導(dǎo)致汗腺活動加強，分泌汗液增多，因汗內(nèi)鹽成分較多使皮膚導(dǎo)電能力增強。當流汗時，不管是因為運動還是其他原因，皮電反應(yīng)傳感器都可以檢測出來。如果在流汗，皮電反應(yīng)傳感器可以收集到更多的數(shù)據(jù)，更加精準地測出用戶在做什么運動，從而更好地進行健身追蹤。

血壓可衡量人體是否健康，通常血壓傳感器分為有創(chuàng)測量和無創(chuàng)測量兩類，有創(chuàng)測量是直接進行血壓測量，利用穿刺技術(shù)實現(xiàn)血管內(nèi)放置導(dǎo)管后的有創(chuàng)測量，例如在做心臟診斷和治療時，需要監(jiān)測患者是否能夠進行有創(chuàng)血壓測量，如果可以，則將外界干擾降到最低，保證測量的有效性；而無創(chuàng)測量是利用空氣為介質(zhì)的一種血壓間接測量方式，易收到外界干擾，可穿戴人機交互設(shè)備就采用此方法測量。可穿戴人機交互設(shè)備的測量血壓技術(shù)實現(xiàn)了無袖帶、非壓迫、實時連續(xù)、無需校準測量，實現(xiàn)了血壓的隨時、隨地監(jiān)測?？纱┐魅藱C交互設(shè)備通過內(nèi)置光學(xué)傳感器測量血壓的原理是在某一時間段對用戶的皮膚進行連續(xù)信號收集，通過對某一時間段連續(xù)圖像進行信號處理，得出該時間點皮膚對光的吸收變化。只要測得皮膚對光的吸收變化，可推算出動脈血液的流速變化，再通過流體模型可計算得出血壓的變化值；

生物傳感器進行心率、出汗水率、血壓、血氧數(shù)據(jù)采集存在的普遍問題是測量數(shù)據(jù)不夠準確，主要因為傳感器硬件本身和搭載算法的不成熟導(dǎo)致的。在未來的設(shè)計中首先要提高感知層設(shè)備之間的兼容性和優(yōu)化軟件的算法來確保數(shù)據(jù)傳輸過程中的準確性，還要充分利用大數(shù)據(jù)和云端互聯(lián)的優(yōu)勢，實現(xiàn)對人體健康指標數(shù)據(jù)的真實性。

2)控制步驟：該模型共有7個步驟，分別是目標建立、意向形成、指定動作排序、動作執(zhí)行、感知狀態(tài)、解釋狀態(tài)和評估狀態(tài)，其中輸入與輸出共同構(gòu)成界面，在交互流程中具有四個步驟，各個步驟都有各自描述語言，模型按照描述語言進行狀態(tài)分析，通過最后執(zhí)行階段完成設(shè)備信息控制。

人機交互設(shè)備信息控制模型設(shè)計如圖2所示。

圖2 人機交互設(shè)備信息控制模型

在圖2所示人機交互控制模型中，反映交互能力和執(zhí)行績效，方便用戶理解交互過程。對用戶目標描述，可完成目標交互任務(wù)描述；設(shè)計按鍵、移動鼠標操作符，可為用戶目標執(zhí)行提供基本操作能力；選擇預(yù)測方式來分解子目標，為用戶目標狀態(tài)作出決策。從控制模型中導(dǎo)出具體執(zhí)行方法，使用短暫估計記憶方式，分析人體狀態(tài)行為。

該模型是一種低層次物理模型，可將高層次交互行為分解，通過再次映射可形成低層次物理操作行為，方便預(yù)測一個低層次交互任務(wù)執(zhí)行階段所耗費的時間，數(shù)據(jù)表達式如下所示：

Te=T1+T2+T3+T4+T5+T6

(1)

公式(1)中：T1表示按鍵或移動鼠標操作時間、T2表示人體狀態(tài)定位時間；T3表示復(fù)位時間；T4表示移動動作耗費時間；T5表示決策時間；T6表示響應(yīng)時間。對于用戶執(zhí)行情況，需從人類各種操作行為中提取出來，保證模型輸出表征人類操作活動的特征指數(shù)，通過分析不同階段時間，可有效控制基于慣性傳感器的可穿戴人機交互設(shè)備信息。

4 防抖處理

根據(jù)上述構(gòu)建的基于慣性傳感器的可穿戴人機交互設(shè)備信息控制模型，受到身體抖動影響，導(dǎo)致控制效果較差，因此，需進行相應(yīng)處理。利用慣性傳感數(shù)據(jù)對身體抖動進行處理，采用自適應(yīng)膚色分割法進行膚色分割，形成“行為檢測→狀態(tài)跟蹤漫游→按鍵或移動鼠標操作”的人機交互過程。

利用雙指數(shù)平滑濾波擬合和預(yù)測時間序列，其中趨勢因數(shù)為：

αn=χ(Qn-Qn-1)+(1-χ)αn-1

(2)

公式(2)中：χ為比例系數(shù)，αn表示趨勢因子，可對當前相鄰濾波數(shù)值更新；αn-1表示上一刻趨勢因子，平滑趨勢因數(shù)序列；Qn表示傳感器平滑輸出值。根據(jù)該趨勢因子，可獲取傳感器濾波輸出值：

(3)

5 實驗分析

采用FPGA平臺驗證基于慣性傳感器的可穿戴人機交互設(shè)備信息控制模型的有效性，并對主要功能進行驗證與分析。

5.1 實驗參數(shù)設(shè)置

可穿戴人機交互設(shè)備中應(yīng)用最多的慣性傳感器是LIS3DH和MPU6500兩種，智能設(shè)備中還用到ADXL362，BMA250,四種慣性傳感器的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)設(shè)置

根據(jù)該參數(shù)，對實驗結(jié)果進行對比分析。

5.2 實驗結(jié)果與分析

在人機交互設(shè)備信息控制過程中，人體運動力學(xué)速度如圖3所示。

圖3 人體運動力學(xué)速度

由圖3可知：當時間為0.1～0.2 s時，人機交互處于反映階段，速度在0～20 mm/s范圍內(nèi)變化；當時間為0.2～0.85 s時，人機交互處于初級階段，速度在20～380 mm/s范圍內(nèi)變化；當時間為0.85～1.2 s時，人機交互處于第二階段，速度在50～170 mm/s范圍內(nèi)變化；當時間為1.2～1.4 s時，人機交互處于驗證階段，速度在0～100 mm/s范圍內(nèi)變化。

根據(jù)人體運動力學(xué)速度，將傳統(tǒng)控制模型與基于慣性傳感器信息控制模型的雙指數(shù)濾波效果進行對比分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種控制模型雙指數(shù)濾波效果

由圖4可知：當時間為0.2 s時，傳統(tǒng)模型雙指數(shù)濾波為22 db，基于慣性傳感器模型雙指數(shù)濾波為35 db，與實際值一致；當時間為0.6 s時，傳統(tǒng)模型雙指數(shù)濾波為36 db，基于慣性傳感器模型雙指數(shù)濾波為42 db，實際值為41 db；當時間為0.8 s時，傳統(tǒng)模型雙指數(shù)濾波為38 db，基于慣性傳感器模型雙指數(shù)濾波為45 db，與實際值一致；當時間為1.0 s時，傳統(tǒng)模型雙指數(shù)濾波為53 db，基于慣性傳感器模型雙指數(shù)濾波為45 db，實際值為46 db；當時間為1.2 s時，傳統(tǒng)模型雙指數(shù)濾波為41 db，基于慣性傳感器模型雙指數(shù)濾波為52 db，實際值為50 db；當時間為1.6 s時，傳統(tǒng)模型雙指數(shù)濾波為51 db，基于慣性傳感器模型雙指數(shù)濾波為57 db，與實際值一致。

根據(jù)上述控制模型雙指數(shù)濾波對比效果可知，基于慣性傳感器模型雙指數(shù)濾波與實際值更為接近，說明該模型對設(shè)備信息控制能力較強，為了驗證該模型具有良好控制效果，將傳統(tǒng)模型與該模型進行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種模型控制效果對比分析

如圖5所示結(jié)果可知：傳統(tǒng)模型的控制效率呈下降趨勢，而基于慣性傳感器模型控制效率呈上升趨勢。當時間處于人機交互反映階段時，傳統(tǒng)模型控制效率最高為65%，最低為40%?；趹T性傳感器模型控制效率最高為82%，最低為71%；當時間處于人機交互初級階段時，傳統(tǒng)模型控制效率最高為71%，最低為25%。基于慣性傳感器模型控制效率最高為86%，最低為70%；當時間處于人機交互第二階段時，傳統(tǒng)模型控制效率最高為36%，最低為25%。基于慣性傳感器模型控制效率最高為88%，最低為75%；當時間處于人機交互驗證階段時，傳統(tǒng)模型控制效率最高為52%，最低為18%?；趹T性傳感器模型控制效率最高為91%，最低為72%。因此，基于慣性傳感器模型控制效率較高。

5.3 實驗結(jié)論

根據(jù)上述實驗結(jié)果可得出實驗結(jié)論，如表2所示。

表2 實驗結(jié)論 %

由表2可知，當時間為0.2 s時，兩種模型對可穿戴人機交互設(shè)備信息控制效率相差最??；當時間為1.2 s時，兩種模型對可穿戴人機交互設(shè)備信息控制效率相差最大。由此可知，基于慣性傳感器的可穿戴人機交互設(shè)備信息控制模型研究是具有有效性的。

6 結(jié)束語

通過運動傳感器可實時監(jiān)測運動狀態(tài)，實時測量人體的脈搏、血壓等生理狀態(tài)，完成健康預(yù)警和病情監(jiān)控功能，采用傳統(tǒng)控制模型尚不成熟，這是導(dǎo)致獲取數(shù)據(jù)不夠精確主要原因。提出基于慣性傳感器的可穿戴人機交互設(shè)備信息控制模型，經(jīng)過實驗對比結(jié)果可知，基于慣性傳感器的可穿戴人機交互設(shè)備信息控制模型研究是具有有效性的，當時間為0.2 s時，基于慣性傳感器模型對可穿戴人機交互設(shè)備信息控制效率最低，為72%；當時間為1.6 s時，基于慣性傳感器模型對可穿戴人機交互設(shè)備信息控制效率最高，為91%。因此，該模型具有較高控制效率。只要不斷進行傳感器技術(shù)創(chuàng)新，相信可穿戴設(shè)備很有可能稱為下一代主流電子終端產(chǎn)品。