[發(fā)明專利]一種基于微慣性傳感器的人體姿態(tài)追蹤系統(tǒng)及其使用方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010530971.2
• 申請(qǐng)日: 2020-06-11
• 公開（公告）號(hào): CN111870249A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張洪波;周磊;陸益棟;王坤;曹淑晨;殷瑞雪;章文俊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華東理工大學(xué);上海黑焰醫(yī)療科技有限公司
• 主分類號(hào): A61B5/11
• 分類號(hào): A61B5/11
• 代理公司: 上海翼勝專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 31218
• 代理人: 翟羽

本發(fā)明公開了一種基于微慣性傳感器的人體姿態(tài)追蹤系統(tǒng)，所述人體姿態(tài)追蹤系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括至少一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊包括至少一個(gè)微慣性傳感單元、電源管理單元、無線發(fā)射裝置和主控處理模塊，所述微慣性傳感單元包括降壓穩(wěn)流模塊和九軸慣性傳感器；所述降壓穩(wěn)流模塊用于對(duì)所述九軸慣性傳感器濾除雜波和穩(wěn)定電壓，所述九軸慣性傳感器包括三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，分別用于采集加速度值和陀螺儀角速度值。本發(fā)明提供一種微型化、實(shí)時(shí)化、低成本化和可穿戴的人體姿態(tài)追蹤系統(tǒng)，采用無線方式進(jìn)行通訊，能夠在不影響人體動(dòng)作的前提下實(shí)時(shí)追蹤人體姿態(tài)并進(jìn)行分析。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及姿態(tài)檢測、無線遙感和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于微慣性傳感器的人體姿態(tài)追蹤系統(tǒng)及其使用方法。

背景技術(shù)

姿態(tài)追蹤技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于影視動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)、生物醫(yī)療、人體康復(fù)等領(lǐng)域，成為當(dāng)下科技領(lǐng)域最熱門的技術(shù)之一。現(xiàn)有的姿態(tài)追蹤技術(shù)主要運(yùn)用于航空航天(如火箭的導(dǎo)航系統(tǒng))及3D電影制作(如用于影視的攝像機(jī)式的姿態(tài)追蹤設(shè)備)等，這類產(chǎn)品大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大、成本較高，幾乎無法做到適用于人體的姿態(tài)追蹤。近年來，低功耗、小體積的微機(jī)系統(tǒng)極大地推動(dòng)了微慣性傳感技術(shù)的發(fā)展，基于微慣性傳感器的人體姿態(tài)追蹤系統(tǒng)可以有效解決上述行業(yè)痛點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有人體姿態(tài)追蹤設(shè)備的種類不足、價(jià)格昂貴和當(dāng)下切實(shí)的需求，本發(fā)明提供一種微型化、實(shí)時(shí)化、低成本化和可穿戴的人體姿態(tài)追蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)的各個(gè)模塊采用無線方式進(jìn)行通訊，能夠在不影響人體動(dòng)作的前提下實(shí)時(shí)追蹤人體姿態(tài)并進(jìn)行分析，同時(shí)具有低功耗、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，使之能夠方便地融入用戶的日常生活。

本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種基于微慣性傳感器的人體姿態(tài)追蹤系統(tǒng)，所述人體姿態(tài)追蹤系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括至少一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊包括至少一個(gè)微慣性傳感單元、電源管理單元、無線發(fā)射裝置和主控處理模塊，所述微慣性傳感單元包括降壓穩(wěn)流模塊和九軸慣性傳感器；所述降壓穩(wěn)流模塊用于對(duì)所述九軸慣性傳感器濾除雜波和穩(wěn)定電壓，所述九軸慣性傳感器包括三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，分別用于采集加速度值和陀螺儀角速度值；所述微慣性傳感單元與所述主控處理模塊通過通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所述電源管理單元為所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的其它部件供電；所述主控處理模塊將所述微慣性傳感單元采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算得到姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將所述姿態(tài)數(shù)據(jù)通過所述無線發(fā)射裝置發(fā)送給所述計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

作為本發(fā)明一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括五個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，分別對(duì)應(yīng)人體的五個(gè)部分：左臂、右臂、左腿、右腿和大腦；每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊包括兩個(gè)相互連接的微慣性傳感單元。

作為本發(fā)明一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述無線發(fā)射裝置與所述主控處理模塊通過SPI通訊方式連接，用于實(shí)時(shí)上傳所述姿態(tài)數(shù)據(jù)和接收指令。

作為本發(fā)明一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述無線發(fā)射裝置為NRF無線收發(fā)器，所述NRF無線收發(fā)器包括頻率發(fā)生器、功率放大器、模式控制器、晶體振蕩器和調(diào)制解調(diào)器。

作為本發(fā)明一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述無線發(fā)射裝置分為五個(gè)從機(jī)模塊和一個(gè)主機(jī)模塊，所述五個(gè)從機(jī)模塊位于用于數(shù)據(jù)采集的五個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊上，所述從機(jī)模塊與所述主機(jī)模塊遵循相同的通信協(xié)議、通信頻率和通信速率，所述主機(jī)模塊通過設(shè)置不同的接收地址將數(shù)據(jù)分包發(fā)送給所述計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，從而完成數(shù)據(jù)交互。

作為本發(fā)明一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的微慣性傳感單元與所述主控處理模塊通過I2C串行通訊。

作為本發(fā)明一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括至少一個(gè)NRF無線模組，用于接收所述數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)；所述NRF無線模組包括功率放大器和低噪聲放大器；一個(gè)NRF無線模組與一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊一一對(duì)應(yīng)，用于將每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)按照特定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送給所述計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。