基于六軸傳感器的速度滑冰滑行動作捕捉系統(tǒng)的研制

朱明

中圖分類號：G862 文獻標識：A 文章編號：1009-9328（2016）08-040-01

摘 要 為滿足速度滑冰滑行技術(shù)動作特征研究的需要，研制一套基于六軸運動傳感器的速滑動作捕捉系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)采系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析軟件組成，通過三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器等采樣儀器，對運動員滑行過程中相關(guān)運動學(xué)參數(shù)進行實時無線采集，結(jié)合同步跟蹤視頻，對速滑運動員不同階段的滑行技術(shù)特征進行分析，發(fā)現(xiàn)滑行技術(shù)方面存在的問題，為今后開展速度滑冰三維運動人體建模提供驅(qū)動數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞 速度滑冰 陀螺儀 加速度傳感器

一、引言

速度滑冰作為競速類項目，對速滑運動員冰上滑行全程技術(shù)動作特征的獲取、分析與優(yōu)化極其重要。傳感器檢測方法能夠進行全程的監(jiān)測，但是由于傳感器的工作原理，只有合適的降噪處理才能獲取穩(wěn)定、準確的數(shù)據(jù)，因此，對傳感器檢測方案進行優(yōu)化才能更適合于速度滑冰運動。設(shè)計并開發(fā)一套MEMS六軸運動傳感器系統(tǒng)，最大程度的減輕傳感器對運動員滑行動作的干擾，在信號降噪、信號融合、姿態(tài)解算等方面的優(yōu)化處理，使整套系統(tǒng)更為適應(yīng)速度滑冰滑行動作特征的采集，更為準確的還原速滑運動員技術(shù)特點，為速滑項目技術(shù)改進提供科學(xué)依據(jù)。

二、研究內(nèi)容

（一）數(shù)字信號處理方法的研究。對受測對象姿態(tài)的測量通常采用加速度計與陀螺儀采集瞬時加速度和角速度信息，對其進行積分運算，獲取方向角、俯仰角等姿態(tài)數(shù)據(jù)。但在實際使用過程中，存在傳感器零位漂移、隨機干擾等因素影響，需要對系統(tǒng)原始采樣信號進行濾波處理。通過硬件或軟件降噪的方式進行數(shù)字信號的處理，軟件降噪采用數(shù)字濾波（如低通濾波等）和卡爾曼濾波等技術(shù)，保障采樣信息的準確還原。

（二）無線傳輸方式的研究。速滑項目存在運動范圍大、場館封閉，對無線傳輸方式進行研究。主要對IEEE802.11無線局域網(wǎng)、ZIGBEE、藍牙等現(xiàn)有無線傳輸技術(shù)進行研究，確保系統(tǒng)無線傳輸模塊在傳輸距離與速率、信號穩(wěn)定性、硬件體積等達到均衡化同時滿足速滑專項特點的需要。

（三）數(shù)據(jù)采集與處理速度的研究。本系統(tǒng)需要滿足多通道同步采集與處理分析功能，即在上位機接收下位機傳輸數(shù)據(jù)的同時對數(shù)據(jù)進行快速解算，需要在較短時間內(nèi)向用戶提供運動員動作姿態(tài)信息，需要對上位機處理分析程序采用并行運算方式實現(xiàn)。對計算機并行處理技術(shù)的研究，降低系統(tǒng)上位機姿態(tài)信息反饋結(jié)果處理時間，實現(xiàn)系統(tǒng)較高采樣率的較好的用戶體驗。

（四）姿態(tài)融合技術(shù)的研究。對原始加速度和角速度信息數(shù)據(jù)進行加工處理，生成可參考的姿態(tài)信息。對加速度與角速度姿態(tài)融合技術(shù)進行研究，采用硬件協(xié)處理器或軟件算法的方式對原始數(shù)據(jù)進行解算，生成四元數(shù)，最終得出不同受測部位瞬時歐拉角（航向角、橫滾角、俯仰角）等實時姿態(tài)信息，幫助運動員了解自身技術(shù)動作情況。

三、研究過程

（一）傳感器監(jiān)測與數(shù)采系統(tǒng)設(shè)計

為降低系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)難度，采用MPU60X099軸運動傳感器與STM32單片機作為下位機監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集功能的技術(shù)方案。MPU6050六軸傳感器采集原始角速度和加速度信息，通過I2C總線上傳到STM32單片機中，單片機再將數(shù)據(jù)進行分類打包后存入FLASH芯片中（24C512），將原始數(shù)據(jù)通過串口上傳給HLK-RM04無線傳輸處理模塊，HLK-RM04將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)為WIFI無線信號發(fā)射到上位機。

（二）數(shù)據(jù)處理分析軟件設(shè)計

1.數(shù)據(jù)采集處理模塊。用于對下位機發(fā)送TCP數(shù)據(jù)包進行接收、轉(zhuǎn)換以及數(shù)字濾波處理。將16進制原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三軸向加速度以及角速度信息后，用于TXT數(shù)據(jù)文件的同步存儲以及數(shù)據(jù)曲線的實時顯示。

2.數(shù)據(jù)分析模塊。用于以存儲六軸傳感器數(shù)據(jù)的后期分析，將導(dǎo)入的存儲加速度和角速度信息通過數(shù)據(jù)曲線的形式呈現(xiàn)，根據(jù)用戶選擇的業(yè)務(wù)分析選項，按照預(yù)置的業(yè)務(wù)處理類將計算結(jié)果反饋給用戶。

3.姿態(tài)圖形顯示模塊。用于加速度與角速度信息的姿態(tài)融合，通過程序預(yù)置算法將六軸傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為四元數(shù)，再生成為歐拉角，即航向角（yaw）、橫滾角（roll）、俯仰角（pitch），通過棍圖的方式將運動員受測部位的姿態(tài)信息在用戶界面中進行呈現(xiàn)。

4.同步圖像模塊。基于視頻采集卡SDK以及數(shù)字同步器將運動員滑行同步圖像采集，在用戶界面中進行播放，用于數(shù)據(jù)曲線以及姿態(tài)圖形的同步分析，為用戶提供更加直觀的反饋形式。

四、總結(jié)

引用更為復(fù)雜的六軸運動傳感器，有效解決了單一類型傳感器信息量不足的缺點，較為全面對速度滑冰滑行動作的技術(shù)特征進行捕捉與分析，對整體技術(shù)方案優(yōu)化設(shè)計，有效提高了采樣率、傳輸距離、信號處理等技術(shù)指標和方法，解決了速度滑冰這種運動范圍大、動作頻率高的競技項目技術(shù)分析難題，為向其他體育項目擴展應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

參考文獻：

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[2] 谷麗華，崔暢等.基于MPU-6050的步態(tài)信號采集系統(tǒng)[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2015，37（2）：176-182.