摘要：現(xiàn)在市面上的可穿戴設(shè)備越來(lái)越多，對(duì)于可穿戴設(shè)備，尤其是手腕式的可穿戴設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。對(duì)于可穿戴設(shè)備的研究核心在于可穿戴傳感器的研究。可穿戴設(shè)備的功能日趨強(qiáng)大與其內(nèi)部使用的可穿戴傳感器數(shù)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(shè)計(jì)出一套可以用于運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)的可穿戴設(shè)備。利用現(xiàn)有的藍(lán)牙4.0 技術(shù)，將六軸傳感器收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)，通過(guò)MATLAB 等仿真軟件以及合理的數(shù)據(jù)處理，得到最接近現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是可穿戴計(jì)算在體育領(lǐng)域的典型應(yīng)用，可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)旨在不妨礙用戶(hù)運(yùn)動(dòng)的前提下，為用戶(hù)提供連續(xù)、準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。國(guó)內(nèi)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(shè)備和應(yīng)用。然而這些設(shè)備或者應(yīng)用不是體育專(zhuān)家，并不能真正根據(jù)這些信息給出準(zhǔn)確的建議，只能根據(jù)這些信息給出大致運(yùn)動(dòng)評(píng)估。另一方面，由于缺乏大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理能力、多維度的數(shù)據(jù)分析能力，以及深入的數(shù)據(jù)挖掘能力，即便收集的數(shù)據(jù)里蘊(yùn)含大量有用信息，甚至包括可以直接用于分析運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)處理挖掘能力問(wèn)題，也會(huì)被海量數(shù)據(jù)淹沒(méi)。
鑒于此，文中提出了一種新的可穿戴系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于MEMS 六軸傳感器，通過(guò)采集物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的以六軸傳感器為校準(zhǔn)點(diǎn)的三軸加速度和三軸角速度，通過(guò)藍(lán)牙4.0無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)脚鋫淞怂{(lán)牙USBdongle 的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和軌跡模擬。
1 可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本原理
本文中的可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立于仿真運(yùn)動(dòng)軌跡的慣性技術(shù)的基礎(chǔ)上，主要通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)主要采用了倆種運(yùn)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(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的加速度，作為計(jì)算速度和位移的原始數(shù)據(jù)。陀螺儀用來(lái)測(cè)量于東物體的角速度，以此確定三維空間中運(yùn)動(dòng)物體的加速度傳感器的參考坐標(biāo)系，有利于位移軌跡的計(jì)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(yùn)動(dòng)本質(zhì)的一個(gè)基本物理量，可以通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)測(cè)量物體的運(yùn)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(cè)運(yùn)動(dòng)體相固聯(lián)，因而隨運(yùn)動(dòng)物體一起相對(duì)于慣性空間的某一參考點(diǎn)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于檢測(cè)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(jī)殼產(chǎn)生相對(duì)位移。檢測(cè)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(duì)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(dāng)慣性力與彈簧反作用力相平衡時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量塊相對(duì)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(cè)量加速度。
根據(jù)胡克定律，公式如下：
Δx=x0-x （1）
F=kΔx=ma （2）
Δx 是檢測(cè)質(zhì)量塊的相對(duì)位移。由上式可知，檢測(cè)質(zhì)量塊的相對(duì)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(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)起來(lái)，旋轉(zhuǎn)速率一般要達(dá)到幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)，這樣就能工作很長(zhǎng)時(shí)間。采用多種方法讀取軸的信息，并將信號(hào)傳給控制系統(tǒng)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(dú)特的加工工藝區(qū)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(zhǎng)。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(hào)傳輸前可放大信號(hào)，提高信號(hào)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(zhuǎn)換時(shí)，更能改善信噪比。
