用于人體空間運動研究的三軸加速度傳感器系統(tǒng)的研制與開發(fā)

【摘 要】開發(fā)一套三軸向加速度傳感器系統(tǒng)，專門用于人體三維空間技術(shù)運動的研究。該系統(tǒng)由下位機和上位機兩部分組成，其中下位機部分由加速度傳感器、傳感器拾取單元、數(shù)據(jù)處理單元和無線傳輸模塊構(gòu)成，上位機部分由計算機終端和數(shù)據(jù)處理分析軟件構(gòu)成。該系統(tǒng)實現(xiàn)了四通道同步采集加速度數(shù)據(jù)，可對運動員的肢體關(guān)節(jié)、運動器械等研究標(biāo)記點進行XYZ三軸向加速度特征值的采集與分析。

【關(guān)鍵詞】人體空間運動；三軸加速度傳感器；

一、引言

傳感器系統(tǒng)作為一種重要的工具已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。在體育科研領(lǐng)域，由于人體運動的復(fù)雜性導(dǎo)致傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)應(yīng)用較少，通常需要針對不同研究進行有針對性地開發(fā)與試驗。運動技術(shù)分析作為體育科研工作的重要一環(huán)，一直以來均采用視頻解析的方式進行研究，而視頻解析通常較為耗時，人工量較大，完成分析結(jié)果后運動員對當(dāng)時的技戰(zhàn)術(shù)記憶已經(jīng)產(chǎn)生模糊，反饋效果不佳，因此，我們選用三軸加速度傳感器作為運動技術(shù)分析的重要工具，并對相關(guān)設(shè)備進行設(shè)計和開發(fā)，使其滿足人體運動研究的需要。

二、研究內(nèi)容

（一）系統(tǒng)下位機的設(shè)計與研制?；趥鞲衅鞯牟杉c傳輸處理原理，對系統(tǒng)下位機的硬件電路進行設(shè)計、安裝和調(diào)試，下位機主要硬件電路由單片機、無線傳輸模塊、電源管理模塊、聚合物鋰電池電量監(jiān)測、加速度傳感器及其拾取單元、數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成，并根據(jù)項目實際應(yīng)用特點對相關(guān)模塊進行優(yōu)化。

（二）系統(tǒng)上位機的設(shè)計與實現(xiàn)。依據(jù)下位機數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，開發(fā)一套集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)輸出的上位機程序軟件，系統(tǒng)軟件可實時監(jiān)控、控制下位機數(shù)據(jù)的采集信息，并自動生成多平面及合方向計算分析數(shù)據(jù)，滿足杠鈴深蹲技術(shù)動作研究的需要。

（三）利用加速度傳感器對杠鈴深蹲技術(shù)的動作特征進行研究。根據(jù)杠鈴深蹲訓(xùn)練的特點，通過三軸加速度傳感器的采集方法，結(jié)合不同競賽項目的技戰(zhàn)術(shù)特點，對其杠鈴深蹲技術(shù)動作特征進行研究，并且依據(jù)實際研究應(yīng)用情況對系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)、采集與分析算法等進行優(yōu)化。

三、研究過程

（一）系統(tǒng)下位機設(shè)計

下位機部分作為一個完整的檢測系統(tǒng)，由采樣部分、監(jiān)測部分、保護部分、通訊部分構(gòu)成（如圖1所示）。采樣部分由傳感器及其拾取單元、數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成，通訊部分由無線傳輸模塊的發(fā)送端與接收端組成，監(jiān)測與保護部分分別由聚合物鋰電池電量監(jiān)測模塊、電源管理模構(gòu)成。采樣負責(zé)實時監(jiān)測加速度傳感器輸出信號并采樣，對采樣信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、先入先出處理后，再由主控芯片（即MCU）對數(shù)字信號進行處理計算，生成加速度數(shù)據(jù)和電池電量信息并打包，按照循環(huán)發(fā)送方式經(jīng)通訊部分實時發(fā)送給上位機。

（二）系統(tǒng)上位機設(shè)計

傳感器系統(tǒng)上位機主要由計算機基站及運行于計算機基站之上的數(shù)據(jù)分析軟件組成，根據(jù)處理流程劃分為六個程序執(zhí)行部分，分別為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、圖形與數(shù)值顯示、業(yè)務(wù)分析、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

1、數(shù)據(jù)接收程序。主要用于接收下位機循環(huán)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，參照下位機無線傳輸模塊數(shù)據(jù)發(fā)送規(guī)范和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，對于不符合通訊規(guī)范的數(shù)據(jù)包執(zhí)行丟棄操作，符合通訊規(guī)范的數(shù)據(jù)包則交由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序處理。

2、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序。根據(jù)已接受的數(shù)據(jù)包依照數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)規(guī)范提取XYZ三軸加速度數(shù)據(jù)及電量參數(shù)，存儲于上位機緩存中。

3、圖形與數(shù)值顯示程序。將存儲于上位機緩存中的加速度和電量參數(shù)以時間/數(shù)值曲線圖形的形式顯示于上位機軟件界面中，并且在界面中以數(shù)字形式同步顯示瞬時對應(yīng)參數(shù)數(shù)值。

4、數(shù)據(jù)輸出程序。在執(zhí)行圖形與數(shù)字顯示程序同時，將緩存中數(shù)據(jù)以TXT文本文件的形式同步順序存入磁盤空間中，直至接收操作結(jié)束。

5、數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序。將存儲于磁盤空間中的TXT格式數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到數(shù)據(jù)處理分析軟件中，導(dǎo)入過程按照文本特定格式執(zhí)行，存儲于上位機緩存中。

6、業(yè)務(wù)分析程序。在執(zhí)行完數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序后，將存儲于緩存中的數(shù)據(jù)按照運動技術(shù)分析的業(yè)務(wù)需求生成相關(guān)運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)，并以圖表的形式顯示于用戶界面中，同時根據(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。

四、研究成果

基于項目的應(yīng)用需求和系統(tǒng)的前期技術(shù)架構(gòu)設(shè)計，我們完成了三軸加速度傳感器系統(tǒng)的下位機和上位機部分的整體開發(fā)，并在杠鈴深蹲技術(shù)動作特征分析領(lǐng)域進行了實驗性應(yīng)用。傳感器系統(tǒng)基本達到了設(shè)計目標(biāo)，能夠通過無線傳輸?shù)姆绞酵瓿蒟YZ三軸向加速度數(shù)據(jù)的采集，并且根據(jù)運動技術(shù)研究的需要，通過系統(tǒng)上位機預(yù)置分析算法，對采集后的數(shù)據(jù)自動生成多種分析圖表和報告，為研究人員分析技術(shù)動作特征，找出解決方案提供科學(xué)依據(jù)。

五、系統(tǒng)應(yīng)用情況

三軸加速度傳感器系統(tǒng)自完成開發(fā)后，主要在速度滑冰和舉重兩個項目上進行了實驗性應(yīng)用，相關(guān)設(shè)備和軟件均滿足科研工作的需要。項目組在實驗過程中積累了大量的設(shè)備使用和數(shù)據(jù)分析的工作經(jīng)驗。基于該項目的研究，下一步的工作將主要放在提高設(shè)備性能和功能參數(shù)，為今后開展更加復(fù)雜的運動技術(shù)分析工作提供有力工具。

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黑龍江省屬科研院所自擬課題，課題編號：HTK201301