(1.國營長虹機械廠，廣西 桂林 541003； 2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

動作捕捉技術(shù)是通過數(shù)字測量技術(shù)實時獲取人體的三維運動信息，然后對信息進行分析和使用。弗萊舍在1915年發(fā)明的動態(tài)遮罩技術(shù)被認為是動作捕捉技術(shù)的始祖。20世紀(jì)70年代，紐約計算機圖形實驗室設(shè)計了一種光學(xué)動作捕捉裝置，能夠?qū)崟r地在屏幕上顯示演員的動作，成為了現(xiàn)代動作捕捉技術(shù)的起始[1]。現(xiàn)代動作捕捉系統(tǒng)基于捕捉原理的不同，包括聲學(xué)式、電磁式、光學(xué)式、機械式、視頻捕捉式和慣性式[2]。聲學(xué)式和電磁式的捕捉系統(tǒng)精度比較差，且受環(huán)境噪聲和磁場的影響比較大[3]；光學(xué)式的捕捉系統(tǒng)精度高，但安裝復(fù)雜，成本高和對環(huán)境要求高；機械式的動作系統(tǒng)穿戴困難，且會影響人體的自由活動；視頻捕捉式的捕捉系統(tǒng)雖然不需要在人體身上佩戴傳感節(jié)點，但算法復(fù)雜，實現(xiàn)難度大?；趹T性傳感器的動作捕捉系統(tǒng)，其具有便攜穿戴、操作簡單和成本低廉的特點，能夠不受時間和地點的限制，持續(xù)不斷地采集人體各個部位的實時運動信息，在跌倒監(jiān)測、體育訓(xùn)練、軍事訓(xùn)練、體感游戲、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實方面都得到了廣泛應(yīng)用[4]。例如在跌倒監(jiān)測方面，通過在手腕或其他部位佩戴慣性傳感器，實時采集佩戴部位的加速度、角速度等信息，當(dāng)人體突然跌倒時，佩戴部位的慣性數(shù)據(jù)會發(fā)生突然變化，從而判斷出人體發(fā)生跌倒，及時向家屬和醫(yī)護人員進行求助。

典型的基于慣性傳感器的動作捕捉系統(tǒng)主要由慣性傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點和遠程數(shù)據(jù)處理終端三部分組成[5-6]。慣性傳感器節(jié)點通過采集人體相應(yīng)部位的運動慣性數(shù)據(jù)如：加速度和角速度等數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點將傳感器節(jié)點采集的慣性信息進行整合和處理，通過有線或無線的方式發(fā)送到處理終端。遠程數(shù)據(jù)處理終端對接收自傳輸節(jié)點的數(shù)據(jù)進行處理、存儲和顯示，以備下一步的應(yīng)用。

目前，美國Inertiallabs公司已經(jīng)推出了商業(yè)化的慣性式動作捕捉系統(tǒng)3Dsuit，荷蘭的Xsens公司也推出了自己的Xsens MVN慣性動作捕捉系統(tǒng)[7]，兩者都可以實時采集人體各部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)，快速地完成人體姿態(tài)地測量，已經(jīng)廣泛應(yīng)用與國外的CG電影制作。當(dāng)前國內(nèi)慣性式動作捕捉系統(tǒng)的商業(yè)化的程度比較低，大多數(shù)仍停留在實驗室階段，浙江大學(xué)的李啟雷等人研發(fā)的慣性式動作捕捉系統(tǒng)[8]，可以采集人體運動的加速度和磁力數(shù)據(jù)；中國科學(xué)院大學(xué)的汪俊等人所設(shè)計的慣性動作捕捉系統(tǒng)[9]，各慣性傳感器節(jié)點通過無線WIFI模塊進行連接，節(jié)點的體積較大；馬杰和劉莉琛兩人所在的團隊設(shè)計了基于Zigbee通訊的慣性式動作捕捉系統(tǒng)[10-11]，但Zigbee的通訊速率限制了捕捉系統(tǒng)的采樣速度與精度。

本文基于當(dāng)前對慣性式動作捕捉系統(tǒng)的研究，提出了一種基于慣性傳感器的動作捕捉系統(tǒng)，各慣性傳感器節(jié)點與數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點間通過485總線進行連接，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點與數(shù)據(jù)處理終端間通過無線WIFI通訊進行數(shù)據(jù)交換[12]，在減小傳感器節(jié)點體積的同時，提高了動作捕捉系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率，極大提高了人體的活動范圍，具有成本低、可靠性高和穿戴方便等特點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本文所設(shè)計的慣性式動作捕捉系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。慣性式動作捕捉系統(tǒng)包括MEMS慣性傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點、數(shù)據(jù)接收節(jié)點和數(shù)據(jù)處理終端四部分組成。慣性傳感器節(jié)點佩戴在人體的手部、腳部等各個部位，實時采集各部位的慣性運動數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點按照一定的采樣頻率通過485總線向各個傳感器節(jié)點發(fā)送請求慣性數(shù)據(jù)的指令，傳感器節(jié)點在接收到請求指令后，通過485總線將慣性運動數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點在完成一次對485總線上所有傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集后，對數(shù)據(jù)進行打包，然后通過WIFI發(fā)送到數(shù)據(jù)接收節(jié)點。數(shù)據(jù)接收節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，通過USB將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理終端。數(shù)據(jù)處理終端對接收到的慣性運動數(shù)據(jù)包進行校驗、處理、存儲和顯示，完成一次完整的慣性運動數(shù)據(jù)的傳輸流程。

圖1 慣性式動作捕捉系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 慣性傳感器節(jié)點的設(shè)計

圖2所示是慣性傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計圖，慣性傳感器節(jié)點板載一個型號為MPU9150的九軸慣性傳感器芯片，STM32F051主控芯片通過I2C接口即可讀取慣性傳感器所采集的三軸加速度數(shù)據(jù)、角速度數(shù)據(jù)與磁力計數(shù)據(jù)。節(jié)點擴展多路AD采集接口，擴展接口可以連接肌電傳感器等生理信號傳感器，從而實現(xiàn)對更多人體運動生理數(shù)據(jù)的采集。各個傳感器、主控芯片與485通訊芯片通過一個3.3V的低壓差線性穩(wěn)壓芯片進行供電，以減少電源的紋波噪聲對傳感器輸出信號的影響。

圖2 慣性傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計

2.2 數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的硬件設(shè)計圖如圖3所示，節(jié)點上各個芯片通過3.3 V線性穩(wěn)壓芯片進行供電，STM32F405主控芯片通過485總線向各個傳感器節(jié)點發(fā)送慣性數(shù)據(jù)請求指令，然后接收各個傳感器節(jié)點發(fā)送來的慣性數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行校驗和打包后，通過SPI總線發(fā)送至CC3200芯片。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的硬件設(shè)計

CC3200是TI公司推出的一款具有片上SOC的WIFI通信芯片，支持站點(STA，Station)和無線接入點(AP，Access Point)兩種工作模式，在TCP通信協(xié)議下可以達到12 Mbps的通信速率，在UDP連接下可以達到16 Mbps的通信速率。同時CC3200內(nèi)部具有一個Cortex-M4核心的專用ARM CPU，負責(zé)建立兩個設(shè)備之間的WIFI連接和協(xié)議通訊，使得主控芯片可以免于無線通信的處理負擔(dān)，提高數(shù)據(jù)的處理速度。CC3200在通過SPI接收到自STM32F405發(fā)送的慣性數(shù)據(jù)后，通過WIFI通訊發(fā)送至數(shù)據(jù)接收節(jié)點。

2.3 數(shù)據(jù)接收節(jié)點的設(shè)計

圖4所示是數(shù)據(jù)接收節(jié)點的硬件設(shè)計圖，數(shù)據(jù)接收節(jié)點的CC3200在接收到數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點發(fā)送來的運動慣性數(shù)據(jù)幀后，向主控芯片發(fā)送外部中斷，主控芯片在接收到外部中斷后，通過SPI接口讀取CC3200接收到的慣性數(shù)據(jù)幀，然后通過ULIP接口將數(shù)據(jù)經(jīng)USB3300芯片發(fā)送至數(shù)據(jù)處理設(shè)備。USB3300是一款支持USB2.0 High Speed 的PHY芯片，其最高可以達到480 Mbps的通信速度，滿足所設(shè)計的動作捕捉系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

圖4 數(shù)據(jù)接收節(jié)點的硬件設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 慣性傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計

慣性傳感器節(jié)點的軟件流程圖如圖5所示，傳感器節(jié)點在上電后，stm32主控MCU按照設(shè)定的采樣頻率對定時器中斷進行初始化，然后對I2C和USART通訊接口進行初始化，等待定時器中斷的置位，通過I2C接口讀取MPU9150傳感器的三軸加速度、角速度和磁力計數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保持到緩存buffer中，等待下次定時中斷的出現(xiàn)，對緩存buffer中的數(shù)據(jù)進行更新。在循環(huán)采集的過程中，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點向傳感器節(jié)點發(fā)送請求指令的數(shù)據(jù)幀后，傳感器節(jié)點的串口接收中斷置位，程序進入串口中斷服務(wù)函數(shù)中，首先對接收的數(shù)據(jù)幀進行校驗，保證接收數(shù)據(jù)幀是完整無誤的，然后判斷數(shù)據(jù)幀是否為針對本節(jié)點的請求數(shù)據(jù)指令幀，如果指令請求地址與本節(jié)點地址相同，程序?qū)彺鎎uffer中存儲的數(shù)據(jù)進行打包和校驗，然后使能串口將節(jié)點慣性數(shù)據(jù)幀發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，最后退出串口接收中斷服務(wù)函數(shù)。

圖5 慣性傳感器節(jié)點的軟件流程圖

為保證慣性傳感器節(jié)點與數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕乐褂捎跀?shù)據(jù)丟包而產(chǎn)生數(shù)據(jù)異常，節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換采用ModBus通信協(xié)議，通過數(shù)據(jù)幀中的CRC16校驗碼保證數(shù)據(jù)的有效性，表1所示為慣性傳感器節(jié)點發(fā)送的慣性數(shù)據(jù)幀定義。如果數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點接收數(shù)據(jù)幀異常，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點將向相應(yīng)節(jié)點重新發(fā)送請求數(shù)據(jù)指令。

表1 傳感器節(jié)點慣性數(shù)據(jù)幀定義

3.2 數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的軟件設(shè)計

圖6所示，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點在上電后，對stm32的各個外設(shè)進行初始化，首先按照系統(tǒng)允許的傳感器節(jié)點地址范圍，依次發(fā)送對應(yīng)各節(jié)點地址的請求慣性數(shù)據(jù)指令幀，如果485總線上存在相應(yīng)地址的傳感器節(jié)點，該節(jié)點將回復(fù)慣性數(shù)據(jù)幀。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點接收到傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，且校驗成功后，就將對應(yīng)的節(jié)點地址存儲到節(jié)點輪詢地址表中，生成完整的節(jié)點輪詢地址表。按照系統(tǒng)設(shè)定的采樣頻率使能定時器中斷，當(dāng)中斷標(biāo)志置位后，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點按照節(jié)點輪詢地址表依次向各個傳感器節(jié)點發(fā)送指令幀，請求慣性數(shù)據(jù)，在接收到慣性數(shù)據(jù)幀并校驗成功后，保存至緩存buffer中。完成節(jié)點輪詢地址表中所有傳感器節(jié)點的輪詢后，對接收到的數(shù)據(jù)進行校驗和打包，生成數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的慣性數(shù)據(jù)幀，通過SPI接口發(fā)送至CC3200無線通信芯片，通過WIFI通訊發(fā)送至數(shù)據(jù)接收節(jié)點。

數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的程序設(shè)計中，主控處理器的串口接收和發(fā)送，SPI接口的發(fā)送和接收，均采用DMA傳輸，在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的過程中，不需要處理器參與操作，可以大大減少處理器的負擔(dān)。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的軟件流程圖

3.3 數(shù)據(jù)接收節(jié)點的軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)接收節(jié)點作為數(shù)據(jù)處理終端與數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點之間的通訊橋梁，完成數(shù)據(jù)透傳，其程序的運行流程如圖7所示。在上電完成stm32外設(shè)和CC3200的初始化后，當(dāng)數(shù)據(jù)處理終端通過USB接口向數(shù)據(jù)接收節(jié)點發(fā)送使能數(shù)據(jù)接收的指令后，主控MCU使能外部中斷。當(dāng)CC3200接收到數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點發(fā)送來的慣性數(shù)據(jù)幀后，向主控MCU發(fā)送一個脈沖信號，主控MCU在接收到脈沖信號，外部中斷標(biāo)志位置位，主控MCU通過SPI接口讀取CC3200接收到的慣性數(shù)據(jù)幀，然后通過USB接口將慣性數(shù)據(jù)幀發(fā)送至數(shù)據(jù)處理終端，完成一次數(shù)據(jù)處理終端與數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換。

圖7 數(shù)據(jù)接收節(jié)點的軟件流程圖

3.4 WIFI通信的軟件設(shè)計

圖8所示是數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點和數(shù)據(jù)接收節(jié)點上WIFI通信芯片CC3200各自的軟件流程圖。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的WIFI通信芯片被配置為STA模式，其在無線局域網(wǎng)中是一般客戶端，可以認為是我們?nèi)粘Ｊ褂玫慕尤霟o線網(wǎng)的智能手機。數(shù)據(jù)接收節(jié)點的WIFI通信芯片被配置為AP模式，其可以認為是日常生活中所使用的無線路由器，當(dāng)用戶識別碼(SSID，Service Set Identifier)被設(shè)置后，數(shù)據(jù)接收節(jié)點向周圍設(shè)備廣播自己的SSID。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點在掃描到數(shù)據(jù)接收節(jié)點廣播的SSID后，向數(shù)據(jù)接收節(jié)點發(fā)送連接請求命令，數(shù)據(jù)接收節(jié)點在接受連接請求后，向數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點分配IP地址，建立數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點與數(shù)據(jù)接收節(jié)點之間的WIFI通信鏈路。

圖8 WIFI通信的軟件流程圖

數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層建立連接后，動作捕捉系統(tǒng)使用具有重傳功能的TCP通訊協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點與數(shù)據(jù)接收節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通訊，以保證節(jié)點之間數(shù)據(jù)通訊的正確性和完整性。如圖所示，配置數(shù)據(jù)接收節(jié)點為TCP服務(wù)器，創(chuàng)建一個TCP套接字(Socket)，綁定IP地址、端口等信息到套接字上，開啟監(jiān)聽，等待TCP客戶端的連接。當(dāng)接收到來自TCP客戶端的連接請求后，接受請求，建立TCP連接，創(chuàng)建新的套接字用于與TCP客戶端進行連接，循環(huán)等待TCP客戶端發(fā)送慣性數(shù)據(jù)幀，在接收到慣性數(shù)據(jù)幀后，向主控MCU發(fā)送脈沖信號。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點配置為TCP客戶端，創(chuàng)建套接字以連接到TCP服務(wù)器上，當(dāng)接收到主控MCU發(fā)送來的慣性數(shù)據(jù)幀后，通過TCP連接將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至TCP服務(wù)器。

3.5 數(shù)據(jù)處理終端的軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)處理終端的軟件程序由數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊三部分組成，數(shù)據(jù)處理終端通過USB接口接收數(shù)據(jù)接收節(jié)點發(fā)送來的慣性數(shù)據(jù)幀，對數(shù)據(jù)進行校驗和處理，顯示各個節(jié)點的慣性運動數(shù)據(jù)，同時將各節(jié)點的慣性數(shù)據(jù)儲存到本地文件中，以備后續(xù)進一步的處理和使用。

4 實驗結(jié)果與分析

基于上述設(shè)計，本文完成了慣性動作捕捉系統(tǒng)的硬件與軟件調(diào)試工作，并進行了慣性數(shù)據(jù)采集試驗。將慣性傳感器節(jié)點附著在身體的腳踝、手腕和手臂等各個部位，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點以100Hz的采樣頻率采集實驗者在慢走、快走和跑步等多種動作下各個傳感器節(jié)點測量的慣性運動數(shù)據(jù)，通過WIFI發(fā)送到數(shù)據(jù)接收節(jié)點，數(shù)據(jù)處理終端通過USB讀取數(shù)據(jù)接收節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)，保存到本地存儲中。經(jīng)試驗驗證，所設(shè)計的動作捕捉系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定地采集人體各個部位的慣性運動數(shù)據(jù)，圖9所示為數(shù)據(jù)處理終端保存在本地的節(jié)點慣性運動數(shù)據(jù)文件。

圖9 慣性運動數(shù)據(jù)保存文件

圖10 慢走和跑步下手腕和腳踝加速度信號

使用存儲的慣性運動數(shù)據(jù)繪制了人體的手腕和腳踝在慢走和跑步兩種動作下加速度的變化曲線，如圖10所示。由圖可以看出，在跑步動作下，人體腳踝部位的加速度信號的變化頻率比慢走動作要快，且跑步動作加速度信號的峰值超出慢走動作10m/s2左右，這是由于跑步動作下人體的步頻比慢走要快，且腳部對地面的沖擊比慢走動作要大。相反，在跑步動作下手腕部位的加速度信號比慢走動作下要規(guī)律地多，且跑步動作下的加速度峰值為60m/s2左右，慢走動作下只有20m/s2左右，這是由于人在跑步動作時手部要進行大幅度且有規(guī)律的擺動，從而保持人體平衡。而慢走狀態(tài)對人的手部運動沒有要求，手部的運動會更加的自由和隨意。由以上可知，所設(shè)計的慣性式動作捕捉系統(tǒng)采集的不同動作下人體各關(guān)節(jié)部位的運動慣性數(shù)據(jù)的變化特征符合人體運動的一般規(guī)律，驗證了本文所設(shè)計慣性式動作捕捉系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)束語

本文基于MPU9150九軸慣性傳感器、CC3200無線通信芯片等設(shè)備，設(shè)計了一款基于慣性傳感器的動作捕捉系統(tǒng)。通過在人體各部位佩戴復(fù)數(shù)慣性傳感器節(jié)點，實時采集人體不同部位的運動加速度、角速度和磁力計數(shù)據(jù)，通過WIFI無線通信發(fā)送至數(shù)據(jù)處理終端，對數(shù)據(jù)進行存儲和顯示。所設(shè)計的系統(tǒng)成本低、可靠性高，穿戴方便，能夠最大限度地減少捕捉系統(tǒng)對人體活動的限制，具有實際應(yīng)用意義。后續(xù)將增加數(shù)據(jù)處理終端對采集的運動數(shù)據(jù)進行進一步地處理和分析的功能，將其應(yīng)用于健康監(jiān)測、康復(fù)訓(xùn)練、體育訓(xùn)練和軍事等多個領(lǐng)域。