專利名稱：基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)，尤其是指一種利用可穿戴無線傳感網(wǎng)以檢測人體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)追蹤方法與系統(tǒng)，屬于人機(jī)交互領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的廣泛應(yīng)用，運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。人體運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)是醫(yī)療、康復(fù)領(lǐng)域重要的研究前景，通過遠(yuǎn)程醫(yī)生，病人無需出門就可以得到醫(yī)生的診斷和幫助。此外，該技術(shù)還可以應(yīng)用于影視制作、運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練、智能媒體、危險(xiǎn)環(huán)境下控制機(jī)器人作業(yè)等。目前實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)追蹤的技術(shù)主要包括機(jī)械式追蹤、電磁式追蹤、視頻追蹤、光學(xué)追蹤和慣性追蹤。機(jī)械式追蹤技術(shù)的特點(diǎn)是計(jì)算精確，但由于設(shè)備體積大靈活性差，從而影響受測物體或受測者的運(yùn)動(dòng)自由；電磁式追蹤技術(shù)靈活性強(qiáng)，缺點(diǎn)是容易受到磁場或其他金屬物體的影響；視頻追蹤和光學(xué)追蹤技術(shù)的靈活性都很強(qiáng)，而且計(jì)算精確，缺點(diǎn)是這兩種技術(shù)容易受到自然環(huán)境的影響，而且成本較高。隨著MEMS技術(shù)的不斷成熟，MEMS慣性傳感器被越來越多地應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)追蹤領(lǐng)域。慣性測量單元是目前運(yùn)動(dòng)追蹤領(lǐng)域常用的測量技術(shù)，包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì)。使用單一測量單元只能追蹤某一剛體的運(yùn)動(dòng)，對于人體運(yùn)動(dòng)追蹤則至少需要15個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信可以選擇有線和無線兩種方式。有線通信需要將所有節(jié)點(diǎn)連接到中心控制單元(XU(central control unit),靈活性很差,而無線通信則更加靈活，但卻增加了通信技術(shù)的復(fù)雜性。在現(xiàn)有技術(shù)中，利用慣性測量單元進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)追蹤的方法很多，但節(jié)點(diǎn)的功能僅限于采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，有關(guān)任務(wù)調(diào)度，進(jìn)程安排等任務(wù)全部依賴于基站O

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)，目的是利用多個(gè)慣性測量單元組成可穿戴式無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集處理人體運(yùn)動(dòng)信息，從而構(gòu)建一個(gè)準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性好、通信穩(wěn)定、低功耗的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)。為克服現(xiàn)有人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)的缺陷，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)由可穿戴式無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，可穿戴無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于采集人體運(yùn)動(dòng)信息并通過低功耗無線通信技術(shù)，轉(zhuǎn)發(fā)給電腦，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)三維人體運(yùn)動(dòng)。所述的可穿戴無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)可穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)基站?？纱┐魇絺鞲衅鞴?jié)點(diǎn)分別分布于人體的各個(gè)部位?；就ㄟ^USB接口將運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)發(fā)給電腦。所述的無線可穿戴傳感節(jié)點(diǎn)包括3種傳感器:三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì)。節(jié)點(diǎn)通過內(nèi)嵌的微型操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度，采用異構(gòu)數(shù)據(jù)融合算法計(jì)算人體運(yùn)動(dòng)方位，并通過低功耗無線通信協(xié)議發(fā)送給基站，同時(shí)從基站接收控制信息。所述的微型操作系統(tǒng)是TinyOS-L X。所述的低功耗無線通信協(xié)議是ZigBee/IEEE 802.15.4。所述的異構(gòu)數(shù)據(jù)融合算法是卡爾曼濾波算法。所述的基站接收可穿戴傳感器節(jié)點(diǎn)采集的人體動(dòng)作信息并轉(zhuǎn)發(fā)給電腦處理，同時(shí)向各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息。為了解決人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的問題,采用時(shí)分多址TDMA(time divisionmultiple access)的方法來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤。本發(fā)明采用以上裝置的基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)，包括以下五個(gè)步驟:步驟一:布置傳感器節(jié)點(diǎn):將九個(gè)可穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)固定在受測者的雙臂(左/右前臂、左/右上臂各1，共四個(gè))、雙腿(左/右上腿、左/右小腿各1，共四個(gè))和腹部；步驟二:采集處理人體運(yùn)動(dòng)信息:所有無線可穿戴式傳感節(jié)點(diǎn)采集被監(jiān)測部分運(yùn)動(dòng)信息并做數(shù)據(jù)融合處理，獲取空間方位數(shù)據(jù)；步驟三:發(fā)送數(shù)據(jù):九個(gè)無線可穿戴傳感節(jié)點(diǎn)將處理后的數(shù)據(jù)按照TDMA時(shí)分復(fù)用方式發(fā)送給基站；步驟四:接收數(shù)據(jù):基站接收到無線可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給電腦；步驟五:三維重建立體動(dòng)作:電腦收到無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)，利用前向運(yùn)動(dòng)模型，重構(gòu)人體運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)對比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:(I)采用本發(fā)明的基于無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)，消除傳感節(jié)點(diǎn)之間的連線束縛，方便人體在三維空間自由運(yùn)動(dòng)，靈活性好。(2)利用低功耗無線通信技術(shù)(如ZigBee/IEEE 802.15.4)，使得每個(gè)無線可穿戴傳感節(jié)點(diǎn)具有高能效性，延長節(jié)點(diǎn)的使用生命期。(3)本發(fā)明每個(gè)無線可穿戴傳感節(jié)點(diǎn)采用慣性測量單元測量獨(dú)立肢體運(yùn)動(dòng)，不需要光源，滿足運(yùn)動(dòng)者在無光環(huán)境中應(yīng)用。(4)本發(fā)明中無線可穿戴傳感節(jié)點(diǎn)內(nèi)，利用低功耗操作系統(tǒng)，方便多任務(wù)處理和調(diào)度，增加了系統(tǒng)靈活性和擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)擴(kuò)容和新業(yè)務(wù)的開發(fā)。


圖1人體機(jī)械生理模型圖2基于無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3可穿戴傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖實(shí)施方式圖1是人體生理機(jī)械模型，基于此模型人體可以劃分為15個(gè)獨(dú)立的肢體，每個(gè)肢體在三維空間中具有六個(gè)自由度。因而每個(gè)肢體可以利用一個(gè)具有六自由度的慣性測量單元追蹤該肢體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)。圖二是基于無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)圖，基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)由可穿戴式無線傳感節(jié)點(diǎn)、無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)、基站(或網(wǎng)關(guān)，圖書以網(wǎng)關(guān)標(biāo)注，本文以基站稱之)及分發(fā)網(wǎng)絡(luò)四部分組成。無線可穿戴節(jié)點(diǎn)用于監(jiān)測每個(gè)獨(dú)立肢體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)；無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測整個(gè)人體運(yùn)動(dòng)；基站用于接收來自于無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)低功耗數(shù)據(jù)，并在本地進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)重構(gòu)；分發(fā)網(wǎng)主要用于因特網(wǎng)上實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)分發(fā)，便于遠(yuǎn)程監(jiān)控或醫(yī)療。本發(fā)明中可穿戴式無線傳感網(wǎng)絡(luò)包九個(gè)可穿戴式無線傳感節(jié)點(diǎn)和I個(gè)基站。九個(gè)可穿戴式傳感節(jié)點(diǎn)分別分布于人體雙臂的上臂和前臂、雙腿的大腿和小腿以及腹部。基站通過USB接口將運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)發(fā)給電腦。如圖3所示，每個(gè)可穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)包括三種傳感器和一個(gè)高精度微處理器:一個(gè)三軸加速度傳感器111、一個(gè)三軸陀螺儀112、一個(gè)三軸磁力計(jì)113和微處理器114。三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì)構(gòu)成一個(gè)具有六自由度的慣性單元，可以獲得獨(dú)立肢體在三維空間任意方法。該方位由微處理器進(jìn)行計(jì)算，獲得用于描述三維空間方位描述值歐拉角或四元組。在每個(gè)可穿戴傳感節(jié)點(diǎn)中，采用低功耗操作系統(tǒng)TinyOS-L X，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集、方位位置計(jì)算和多節(jié)點(diǎn)無線通信技術(shù)。計(jì)算出空間方位數(shù)據(jù)，并通過ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議發(fā)送給基站，同時(shí)從基站接收控制信息。本發(fā)明中，可穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)采用Crossbow公司的Imote2無線傳感節(jié)點(diǎn)，具有32位微處理器，工作頻率在13 416MHz。傳感器插板采用VectorNA公司的VN100，內(nèi)置的32位微控制器負(fù)責(zé)處理傳感器采樣和執(zhí)行擴(kuò)展卡爾曼算法，最高頻率可達(dá)到200Hz。由于人體運(yùn)動(dòng)追蹤對實(shí)時(shí)要求較高，因此本發(fā)明采用時(shí)分多址TDMA(timedivision multiple access)的方法來保證無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)可靠通信。在TDMA實(shí)現(xiàn)過程中，由于低功耗操作系統(tǒng)Tinyos采用先來先服務(wù)的方式，因而時(shí)間同步采用逐一調(diào)度每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的方式來實(shí)現(xiàn)，即第一個(gè)可穿戴節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)候，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽該節(jié)點(diǎn)；待第一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送完畢后，進(jìn)入休眠狀態(tài)，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)。一次類推，直到九個(gè)節(jié)點(diǎn)都發(fā)送數(shù)據(jù)完畢。在不考慮操作系統(tǒng)的處理延遲以及基站和電腦的延遲，每次采樣的延遲時(shí)間大約是3.225毫秒?？纱┐鳠o線傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)時(shí)鐘是46.2納秒，系統(tǒng)調(diào)度延遲約是1.107毫秒。定義每個(gè)TDMA系統(tǒng)時(shí)間間隙5毫秒，并且定義TDMA幀長為10，即50毫秒，從而系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)最高刷新頻率為20赫茲。綜上所述，本發(fā)明基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)，包括以下五個(gè)步驟:步驟一:布置傳感器節(jié)點(diǎn):將九個(gè)可穿戴式無線傳感節(jié)點(diǎn)固定在受測者的雙臂、雙腿和腹部；步驟二:采集處理人體運(yùn)動(dòng)信息:可穿戴無線傳感節(jié)點(diǎn)采集各個(gè)肢體運(yùn)動(dòng)信息并做數(shù)據(jù)融合處理，獲得三維空間方位數(shù)據(jù)；步驟三:發(fā)送數(shù)據(jù):無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)按照TDMA方式把各個(gè)肢體的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站；步驟四:接收數(shù)據(jù):基站接收無線可穿戴網(wǎng)絡(luò)所有傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給電腦；步驟五:三維重建人體運(yùn)動(dòng):基于前向運(yùn)動(dòng)模型，在一幀時(shí)間內(nèi)重構(gòu)人體運(yùn)動(dòng)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維呈現(xiàn)。本發(fā)明基于基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)操作簡單，追蹤精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，利用無線通訊方式，使受測者活動(dòng)自由，提高系統(tǒng)靈活性。利用慣性測量單元內(nèi)嵌微型操作系統(tǒng)的方式進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，節(jié)省時(shí)間，降低了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和能耗，延長能源的使用周期。
權(quán)利要求
1.一種基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)由無線可穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)、無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)、基站和分發(fā)網(wǎng)絡(luò)四部分組成。無線可穿戴傳感網(wǎng)用于采集人體動(dòng)作信息，將人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給電腦，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維人體動(dòng)作重現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)，其特征在于利用慣性測量單元作為可穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)采集人體運(yùn)動(dòng)信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)，其特征在于可穿戴式無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括九個(gè)可穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)基站。九個(gè)可穿戴式無線傳感器節(jié)點(diǎn)分別分布于人體雙臂的上臂和前臂、雙腿的大腿和小腿以及腹部?；就ㄟ^USB接口將運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)發(fā)給電腦。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)，其特征在于所述的無線可穿戴傳感器節(jié)點(diǎn)，包括一個(gè)三軸加速傳感器、一個(gè)三軸陀螺儀和一個(gè)三軸磁力計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)，其特征在于節(jié)點(diǎn)通過TinyOS-1.x微型操作系統(tǒng)以先進(jìn)先出原則進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度，如數(shù)據(jù)采樣、無線通信等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)，其特征在于節(jié)點(diǎn)內(nèi)采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對三軸加速度、陀螺儀和三軸磁力計(jì)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)融合，獲得三維空間方位數(shù)據(jù)，并通過低功耗無線通信技術(shù)發(fā)送給基站，同時(shí)從基站接收控制信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無線通信協(xié)議其特征在于使用ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議，保證系統(tǒng)具有較長的生命期。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)，其特征在于包括以下五個(gè)步驟: 步驟一:布置傳感器節(jié)點(diǎn):將九個(gè)無線可穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)固定在受測者的雙臂、雙腿和腹部； 步驟二:采集處理人體運(yùn)動(dòng)信息:無線可穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)采集受測者的運(yùn)動(dòng)信息并做數(shù)據(jù)融合處理； 步驟三:發(fā)送數(shù)據(jù):無線可穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站； 步驟四:接收數(shù)據(jù):基站接收無線可穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給電腦；步驟五:三維重建立體動(dòng)作:根據(jù)前向運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重建人體動(dòng)作信息。
全文摘要
一種基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)，它是把無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋在人體九個(gè)獨(dú)立肢體部位，每個(gè)獨(dú)立肢體附著一個(gè)無線可穿戴傳感節(jié)點(diǎn)，用于監(jiān)測該肢體在三維空間中的自由活動(dòng)。在每個(gè)無線可穿戴傳感節(jié)點(diǎn)內(nèi)，利用一個(gè)慣性測量單元，包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和三軸磁力傳感器，利用在線數(shù)據(jù)融合算法計(jì)算獨(dú)立肢體在三維空間內(nèi)的方位。在可穿戴無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，采用TDMA方式，把實(shí)時(shí)方位數(shù)據(jù)通過低功耗無線通信技術(shù)Zigbee/IEEE 802.15.4發(fā)送給基站?；景勋@得的無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給電腦。在電腦內(nèi)根據(jù)前向運(yùn)動(dòng)模型，重構(gòu)人體運(yùn)動(dòng)。重構(gòu)的人體運(yùn)動(dòng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)方用戶，供遠(yuǎn)程醫(yī)療。該系統(tǒng)完全消除傳感器節(jié)點(diǎn)之間的連線，無需光源輔助，并且采用低功耗無線操作系統(tǒng)便于系統(tǒng)擴(kuò)展和應(yīng)用開發(fā)。
文檔編號H04W84/18GK103179692SQ20111043953
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者陳建新, 杜月林, 林宏, 王榮 申請人:陳建新, 杜月林, 林宏