基于MEMS六軸傳感器的可穿戴運動(dòng)監測系統設計

　　現在市面上的可穿戴設備越來(lái)越多，對于可穿戴設備，尤其是手腕式的可穿戴設備的競爭日益激烈。對于可穿戴設備的研究核心在于可穿戴傳感器的研究?？纱┐髟O備的功能日趨強大與其內部使用的可穿戴傳感器數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)，目的在于設計出一套可以用于運動(dòng)軌跡檢測的可穿戴設備。利用現有的藍牙4.0 技術(shù)，將六軸傳感器收集到的數據實(shí)時(shí)傳送到上位機，通過(guò)MATLAB 等仿真軟件以及合理的數據處理，得到最接近現實(shí)的運動(dòng)軌跡。

　　可穿戴運動(dòng)監測系統是可穿戴計算在體育領(lǐng)域的典型應用，可穿戴運動(dòng)監測系統旨在不妨礙用戶(hù)運動(dòng)的前提下，為用戶(hù)提供連續、準確的運動(dòng)監測功能。國內外學(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)的設備和應用。然而這些設備或者應用不是體育專(zhuān)家，并不能真正根據這些信息給出準確的建議，只能根據這些信息給出大致運動(dòng)評估。另一方面，由于缺乏大規模的數據處理能力、多維度的數據分析能力，以及深入的數據挖掘能力，即便收集的數據里蘊含大量有用信息，甚至包括可以直接用于分析運動(dòng)的數據，基于數據處理挖掘能力問(wèn)題，也會(huì )被海量數據淹沒(méi)。

　　鑒于此，文中提出了一種新的可穿戴系統。該系統基于MEMS 六軸傳感器，通過(guò)采集物體在運動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的以六軸傳感器為校準點(diǎn)的三軸加速度和三軸角速度，通過(guò)藍牙4.0無(wú)線(xiàn)傳輸到配備了藍牙USBdongle 的上位機進(jìn)行數據處理和軌跡模擬。

　　1 可穿戴運動(dòng)監測系統基本原理

　　本文中的可穿戴運動(dòng)監測系統建立于仿真運動(dòng)軌跡的慣性技術(shù)的基礎上，主要通過(guò)運動(dòng)傳感器實(shí)現。本系統主要采用了倆種運動(dòng)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(lái)測量運動(dòng)物體的加速度，作為計算速度和位移的原始數據。陀螺儀用來(lái)測量于東物體的角速度，以此確定三維空間中運動(dòng)物體的加速度傳感器的參考坐標系，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(dòng)本質(zhì)的一個(gè)基本物理量，可以通過(guò)測量加速度來(lái)測量物體的運動(dòng)狀態(tài)。加速度傳感器的基本原理可以由圖1 說(shuō)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(dòng)體相固聯(lián)，因而隨運動(dòng)物體一起相對于慣性空間的某一參考點(diǎn)作相對運動(dòng)。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。當慣性力與彈簧反作用力相平衡時(shí)，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(guò)該位移或慣性力來(lái)測量加速度。

　　根據胡克定律，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(gè)旋轉物體的旋轉軸所指方向在不受外力是不會(huì )改變的。就像一個(gè)陀螺在高速旋轉的時(shí)候是不會(huì )倒下。但是陀螺儀工作的實(shí)收是必須要給它一個(gè)力，使它快速旋轉起來(lái)，旋轉速率一般要達到幾十萬(wàn)轉，這樣就能工作很長(cháng)時(shí)間。采用多種方法讀取軸的信息，并將信號傳給控制系統前，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別于其他慣性傳感器。優(yōu)點(diǎn)在于可靠性高、制造成本低廉、并且壽命更長(cháng)。同時(shí)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(diǎn)。MEMS 傳感器在同一個(gè)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 轉換時(shí)，更能改善信噪比。

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

　　2 可穿戴硬件系統的設計

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

　　圖2（a）：系統電路原理圖CC2541 部分

　　圖2（b）：系統電路原理圖傳感器部分

　　圖3：可穿戴開(kāi)發(fā)設備

　　3 運動(dòng)軌跡仿真系統設計

　　基于已有的可穿戴開(kāi)發(fā)平臺，本仿真系統通過(guò)對運動(dòng)軌跡產(chǎn)生的加速度信號進(jìn)行數據采集。對采集到的信號進(jìn)行預處理之后完成對加速度積分以及后期的誤差補償，最后實(shí)現對運動(dòng)軌跡的1:1 的仿真。

　　仿真系統主要分為三個(gè)主要部分：六軸傳感器、藍牙和上位機處理。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(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的加速度信號和角速度信號進(jìn)行采集；藍牙主要負責接收六軸傳感器采集到的數據，并將數據通過(guò)藍牙信號輸出給上位計算機；上位機處理主要實(shí)現數據處理的功能。

　　仿真系統總體結構圖如圖4 所示。

　　圖4：仿真系統結構圖

　　4 運動(dòng)軌跡仿真實(shí)驗測試結果

　　通過(guò)藍牙芯片，限定六軸傳感器的采集速率為每秒20 組數據，一組六個(gè)值包括三個(gè)加速度值和三個(gè)角速度值，每個(gè)值包括16 個(gè)字節。將采集到的原始數據直接通過(guò)藍牙傳輸發(fā)送到計算機中進(jìn)行處理，然后通過(guò)MATLAB對數據進(jìn)行數據處理和軌跡仿真。如圖5，確定坐標系。

　　圖5：傳感器的坐標系示意圖

　　4.1 靜止狀態(tài)

　　在完全靜止狀態(tài)下，將可穿戴開(kāi)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；陀螺儀的輸出應該全部為0。但是由于隨機噪聲的存在，輸出值應該有一定的偏差。測量30s 得到的600組數據。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(gè)軸中的X 軸，沿X 軸做勻速直線(xiàn)運動(dòng)，采集傳感器得到的數據。將可穿戴開(kāi)發(fā)平臺沿X 軸方向勻速移動(dòng)19s，共采集到380 組數據，選其中10 組數據如表2。

　　表2

　　5 結論

　　本可穿戴開(kāi)發(fā)平臺設計是基于MEMS 六軸傳感器MPU6050 的基本原理，并且結合了藍牙的傳輸技術(shù)，可以方便、快速的將運動(dòng)采集到的數據快速的傳輸到PC 上。采集到的數據主要應用于后期可穿戴計算的研究。