基于加速度传感器的无线人体动作测量设备

 

　　本文介绍的设备是使用加速度传感器的无线人体动作信息测量设备，在人体四肢及躯干同时佩戴5组测量设备，准确反映人体各部分动作情况，同时使用无线数据传输方式减少体验者的不适感。

　　1 测量原理

　　测量模块放置于人体四肢及躯干，以右手为例。测量模块放置于右手肘关节外侧，根据重力在加速度传感器三轴上的分量，可以计算出传感器坐标系与自然坐标系的夹角，进而得出传感器所在手臂平面与自然坐标系的夹角，根据三个夹角与传感器到肩膀的固定位置，可以计算出传感器所在手臂部位的空间位置。传感器坐标系与自然坐标系夹角如图1所示。

　　

 

　　

 

　　式中Ax为传感器x轴加速度分量，Ay为传感器y轴加速度分量，Az为传感器z轴加速度分量。人体躯干直立，右手微抬时传感器所在手臂与自然坐标系的三个夹角如图2所示。其中右手上白点代表传感器。

　　

 

　　2 系统硬件设计

　　硬件系统由运动测量模块与数据接收模块构成。运动测量模块放置于人体四肢及躯干部位，负责采集加速度数据，并将数据通过2.4G无线方式发送至数据接收端。数据接收模块同时接收5组运动测量模块的测量数据，并通过USB接口与PC机传递数据。

　　2.1 运动测量模块硬件设计

　　运动测量模块由ADXL345加速度传感器、nRF24L01无线射频模块、ATmega88单片机和电源模块构成，硬件结构如图3所示。测量模块实物如图4所示。

　　

 

　　

 

　　ADXL345是ADI公司的三轴数字加速度传感器，主要应用于消费电子的微型惯性器件，最大可感知土16g的加速度，感应精度可达3.9mg /LSB，倾角测量典型误差小于1°。通过其内置的ADC将加速度信号转换为数字量存放在片内缓冲区，使用SPI总线读取数据。在实际使用中，为提高输出数据的稳定性，设置感应范围为±2 g，感应精度为3.9 mg，可以满足人体动作加速度范围与精度要求。传感器采样速度在6.25～3 200 Hz之间可调，因为无线发送数据需要时间较长，并且低采样速率可以降低噪声干扰，将采样速度设定在100Hz，即10ms输出1组数据。

　　控制模块由ATmega88单片机及配套电路构成。ATmega88为8位AVR单片机，在3.3 V电压模式下可以工作于8 MHz，片内拥有8 KB Flash与1 KB SRAM。其主要任务为初始化加速度传感器和无线射频芯片，并从加速度传感器中读取测量数据，将数据初步整理后传送至无线射频芯片。

　　无线射频模块主要由nRF24L01构成，是一款单片射频收发器件，它工作于2.4～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等。数据传输速率可达1～2 Mb/s。它可以同时支持6个无线器件的接收，由此实现了1组数据接收模块同时接收5组运动测量模块发送的数据。

　　电源模块使用低压差线性稳压器件(LDO)SP6201，将锂电池的4.2 V电压降至3.3 V，最大可负载200 mA电流，满足设备需要。

　　2.2 数据接收模块硬件设计

　　数据接收模块使用芯片CY7C68013A，片内集成USB2.0收发器、串行接口引擎、增强型8051微控制器，数据的传输率可达到56 MB，最大4 K USB端点缓冲区，时钟频率可达48 MHz。由于CY7C68013A本身并没有硬件SPI接口，同时又需要SPI与无线射频模块通信，实际中使用GPIO口软件模拟4线SPI进行通信。CY7C68013A不断扫描无线射频模块状态，当有接收数据到来时，使用SPI接收数据并通过USB上传给计算机。

　　数据接收模块硬件结构如图5所示。

　　

 

　　3 系统软件设计

　　软件设计主要包括2个部分，动作测量模块主控制器ATmega88的数据采集及发送部分、数据接收模块控制器CY7C68013A的数据接收及上传部分。

　　3.1 运动测量模块软件设计

　　使用ATmega88的定时器控制采样时间，由于已经将ADXL345的输出频率定为100 Hz，这里将程序设定为每隔10 ms进行一次采样，采样后将数据发送至无线射频模块进行数据发送，发送成功后进行下一次采样，否则重新发送。测量模块软件流程如图6所示。

　　

 

　　3.2 数据接收模块软件设计

　　数据接收模块CY7C68013A通过不断查询nRF24L01的中断引脚来检测有无数据到来;当有接收数据到时，使用SPI总线读取加速度信息，判断该数据来自哪个发送端，并将数据存放在相对应的USB端点缓冲区，等待上位机取走。若上位机不取数据，旧数据会自动被新数据冲掉，保证数据的实时性。中央处理模块软件流程如图7所示。

　　4 实验结果与分析

　　实验中使用面包板模拟人体手臂进行角度测量实验，因为真实手臂平面有一定弧度，测量模块不同的放置位置对测量结果会有影响，而面包板为规则长方体，有非常平坦的一面可以放置测量模块，并且棱角清晰方便进行倾斜角度测量。在具体实验中，模拟测量模块佩戴在右手肘关节外侧的情况，设计2种测试例。右手向右伸臂的动作，如图8所示。右手向前抬臂的动作如图9所示。

　　

 

　　在0～90°范围内2种情况下，三轴测量角度与参照角度比较。表1为模拟右手右伸臂时三轴角度与参照角度比较。表2为模拟右手前抬臂时三轴角度与参照角度比较。由表1、表2可以看出：除个别接近0、90°时误差较大外，大多数角度测量的误差绝对值小于1.5°，与ADXL345官方说明文件的误差小于1°较为相符。

　　

 

　　表中负值为传感器坐标轴正方向与自然坐标轴正方向夹角超过90°情况。误差超过1°产生的原因有如下几方面：

　　①在电源设计时没有为ADXL345的ADC单独设置参考电压源，而是使用VDD系统电源，存在一些纹波干扰，造成误差。

　　②没有对传感器进行零点标定，水平放置时X、Y轴输出并不为0。

　　③缺少专业角度测量设备，角度参考图使用普通量角器制作，参考角度与实际角度。

　　④传感器平面与电路板平面、实验面包板平面不完全重合，存在固定夹角，测量时有误差。从表1的Y轴夹角看出，理论上模拟右手右伸臂时Y轴夹角应一直为0°，但现实中出现了一个转角，使输出逐渐由-1.2°过渡到2.2°。

　　结语

　　本文通过使用加速度传感器ADXL345采集人体动作信息，使用nRF24L01无线时频模块发送数据，最后通过USB芯片CY7C68013将数据上传给PC机，并在PC机上实时绘制人体运动动画，构建了一种人体动作信息测量设备。测量身体各部位角度典型误差小于1.5°，满足普通人机交互需要。目前已经根据上述原理制作出样品，PC机上显示人体模型与佩戴测量模块的实际人体动作较为一致，反应灵敏，可以满足快速实时的人机交互过程的实现。在进一步减小输出误差，稳定输出结果后，可以应用于高危环境机器人控制、游戏娱乐等各种人机交互场合。