王輝堂
(廈門信通慧安科技有限公司,福建 廈門 361026)
基于9軸傳感器的無線穿戴式體感交互設(shè)備
王輝堂
(廈門信通慧安科技有限公司,福建 廈門 361026)
針對當(dāng)前VR/AR領(lǐng)域體感交互設(shè)備成本高、使用繁瑣等問題,文章提出了一種低成本、簡易輕便的體感交互方案。方案硬件設(shè)計基于BLE和9軸傳感器,軟件上采用AHRS結(jié)合動作識別算法。只需要佩戴3個穿戴設(shè)備即可實現(xiàn)人體手部和全身動作的識別。
9軸傳感器;BLE;AHRS;動作識別
近年來隨著虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實的快速興起,作為VR和AR的核心技術(shù)之一,體感交互技術(shù)近年來受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。體感交互技術(shù)可以讓用戶用手勢和身體語言與計算機(jī)進(jìn)行互動,打破了鼠標(biāo)、手柄等傳統(tǒng)外設(shè)對人們身體的束縛,讓用戶能夠更加自然地和虛擬世界打交道。體感交互已經(jīng)成為VR/AR人機(jī)交互中最重要的手段。
然而當(dāng)前主流的體感設(shè)備如微軟的Kinect,HTC VIVE等都是基于家用主機(jī)或PC平臺設(shè)計的,雖然在功能性和性能指標(biāo)上表現(xiàn)突出,但由于成本高且對硬件性能、功耗、使用環(huán)境的要求較高,不適用于手機(jī)、平板等側(cè)重簡易和便攜的平臺。因此對VR/AR技術(shù)的普及產(chǎn)生了一定的不利影響。本文提出了一種基于BLE(藍(lán)牙4.0)的無線體感設(shè)備,它采用9軸傳感器結(jié)合AHRS算法作為動作識別的基礎(chǔ),具有動作識別率高、輕巧便攜、超低成本等優(yōu)點,同時支持手機(jī)、平板、電視等多種平臺,有利于體感交互技術(shù)在特定需求下的進(jìn)一步推廣。
1.1 AHRS姿態(tài)解算原理
航姿參考系統(tǒng)(Attitude and Heading Reference System,AHRS)最早用于為飛機(jī)等飛行器上,用于提供可靠的航姿和航向測算。這類系統(tǒng)通常包括3種主要的傳感器,陀螺儀、加速度計、地磁計。在飛行過程中,通過對3種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)不斷的采集,獲得飛行器的加速度、角速度、地磁感應(yīng)強(qiáng)度等。以這些傳感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合四元數(shù)、卡爾曼濾波算法,經(jīng)過一系列的計算可以獲得飛行器的姿態(tài)和航向。
隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System,MEMS)的快速發(fā)展,近年來已有成熟的MEMS計術(shù)可以將陀螺儀、加速度計、地磁計3種傳感器集成在同一片芯片上,如美國InvenSense公司推出的MPU9250,因這3個參數(shù)在空間中各有3個維度(X,Y,Z),因此該類芯片也被稱為9軸運動傳感器。
AHRS技術(shù)的應(yīng)用范圍不限于飛行器,在船只、車輛、平衡車、機(jī)器人等物體的運動控制中都能發(fā)揮重要作用。在本設(shè)計中采用AHRS技術(shù)解算出人體的實時姿態(tài),在此基礎(chǔ)上結(jié)合其他算法實現(xiàn)對手勢和全身動作的識別。
1.2 BLE無線傳輸
低功耗藍(lán)牙(Bluetooth of Low Energy,BLE)技術(shù)是藍(lán)牙的4.0版本,它是一種低成本、短距離、可互操作的魯棒性無線技術(shù),工作在免許可的2.4 GHz ISM射頻頻段。它從一開始就設(shè)計為超低功耗(Ultra Low Power Dissipation,ULP)無線技術(shù),目前在手機(jī)和可穿戴設(shè)備中使用廣泛。
藍(lán)牙技術(shù)成熟且在手機(jī)、平板上應(yīng)用廣泛,本設(shè)計中的穿戴設(shè)備采用BLE無線技術(shù),不但可以簡便地和手機(jī)、平板、電視實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,還可使設(shè)備的整體功耗大幅降低,實現(xiàn)較長的待機(jī)時間。BLE協(xié)議支持多對一連接,即一臺手機(jī)可以同時連接多個BLE設(shè)備,這個特性也是本設(shè)計中需要的。
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成
本設(shè)計實現(xiàn)的體感交互方案由3部分組成:體感戒指、體感腰扣、顯示終端。
體感戒指:佩戴于手指,兩手各一。用于捕捉人體手部動作,包括手臂和手指多個方向的平移、翻轉(zhuǎn)及其組合而成復(fù)雜動作。
體感腰扣:佩戴于腰間,用于捕捉人體全身性的移動(前后左右移動、跑、跳、蹲等)。
顯示終端:手機(jī)、平板或電視,用于運行游戲或交互界面。
在用戶使用這套設(shè)備的過程中,體感戒指和腰扣不斷采集相關(guān)部位的運動數(shù)據(jù),通過BLE無線傳送至顯示終端,終端運行相關(guān)算法進(jìn)行動作識別解算出人體的動作,再根據(jù)人體的動作顯示相應(yīng)的交互內(nèi)容,如使游戲人物移動等。
2.2 方案選型
基于產(chǎn)品對動作識別的需求,傳感器我們采用了Invensense公司生產(chǎn)的MPU9250,該芯片在3×3×1 mm3的封裝中融合了3軸加速度、3軸陀螺儀、3軸磁力計及1個DMP(數(shù)字運動處理器),高集成度的設(shè)計保證了高性能和低功耗的有機(jī)結(jié)合,同時降低節(jié)硬件和軟件的開發(fā)成本。MPU9250輸出的加速度計、陀螺儀、磁力計數(shù)據(jù)精度分別為16位,16位,6位,可編程量程范圍,同時帶有業(yè)界領(lǐng)先的可編程數(shù)字濾波器,支持I2C和SPI接口。
因可穿戴產(chǎn)品的體積小電池容量小,該類產(chǎn)品的核心設(shè)計需求是低功耗?;诖诵枨螅{(lán)牙芯片我們選用了DIALOG公司生產(chǎn)的DA14580,DA14580 是當(dāng)前業(yè)內(nèi)體積最小、功耗最低、集成度最高的藍(lán)牙芯片,內(nèi)嵌 16 MHz 32位ARM Cortex M0? 處理器,32 kB OTP 42 kB SRAM,84 kB ROM;具備硬件正交解碼能力;發(fā)射功率0 dBm,接收機(jī)靈敏度為-93 dBm。這款芯片最大的特點是超低功耗,相比于其他藍(lán)牙芯片動輒十幾mA的發(fā)射電流,DA14580的發(fā)射電流只有5 mA,休眠狀態(tài)下整體功耗只有2 μA。
因設(shè)備內(nèi)部空間較小,電池選用40 mah的鋰電池。因鋰電池的保護(hù)板會占用額外空間增加產(chǎn)品高度,在本設(shè)計中不采用帶保護(hù)板的鋰電池,而是將保護(hù)芯片和充電芯片一起設(shè)計在主板的PCB中。
2.3 硬件設(shè)計
傳感器部分的電路是以MPU9250為核心設(shè)計的。該模塊采用3.3 V供電??紤]到數(shù)據(jù)傳輸量較大,MPU9250和MCU之間采用SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,DA14580的SPI的傳輸速率最高可達(dá)1 M bytes/S。
因藍(lán)牙芯片內(nèi)嵌的ARM COTEX-M0 具有不錯的性能,因此將其作為設(shè)備的主控MCU,一方面減少芯片數(shù)量降低功耗,同時又減小產(chǎn)品體積并降低生產(chǎn)成本。如圖1所示,DA14580的外圍電路包括2個時鐘電路、天線匹配電路、SPI接口、LED和震動馬達(dá)控制接口等。因方案采用的是不平衡單極子天線,因此需要在射頻輸入輸出接口和藍(lán)牙天線之間連接一個巴倫匹配電路來實現(xiàn)射頻收發(fā)信號的匹配。另外需要注意的是,在加工PCB板時,天線部分的電路應(yīng)設(shè)計為50 Ω的阻抗匹配。
2.4 軟件設(shè)計
軟件的設(shè)計包含設(shè)備端程序和上位機(jī)程序(以手機(jī)為例),如圖2所示。
圖1 MCU及藍(lán)牙電路
圖2 軟件工作流程
設(shè)備端程序在開機(jī)后先進(jìn)行各硬件模塊的初始化,包括BLE,MPU9250等。隨后進(jìn)行傳感器校準(zhǔn),在做磁力計校準(zhǔn)時,需要設(shè)備進(jìn)行空間畫“8”字形的操作,使設(shè)備充分測量出所處空間中各個方向的磁場強(qiáng)度以定位出準(zhǔn)確的世界坐標(biāo)系方向。校準(zhǔn)完成后,在整個使用過程中MCU不斷讀取得MPU9250采集到的傳感器數(shù)據(jù)(加速度、角速度、磁場強(qiáng)度),并通過BLE持續(xù)發(fā)往手機(jī)。
手機(jī)端程序通過BLE接收到原始數(shù)據(jù)后,首先使用四階FIR濾波算法濾除高頻雜波。濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行動作起點和結(jié)束點判斷,動作的起止點數(shù)據(jù)有明顯的特征(加速度或角速度變化)。起止點確定后,將起點和結(jié)束點之間的數(shù)據(jù)作為一幀。我們用AHRS算法先計算該幀數(shù)據(jù)持續(xù)期間對應(yīng)的設(shè)備姿態(tài),同時對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行特征提取,然后依據(jù)特征比較進(jìn)行動作識別。獲得用戶的動作后,提交給上層邏輯進(jìn)行相應(yīng)的邏輯控制,如控制游戲角色移動等。
本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種無線體感交互方案,該方案以BLE作為無線數(shù)據(jù)傳輸方式,以9軸傳感器為基礎(chǔ),結(jié)合AHRS等算法為基礎(chǔ)實現(xiàn)人體動作識別。實現(xiàn)了一種輕便易用、低成本、平臺兼容性好的體感交互方案。在實際測試中,動作識別率約85%。在后續(xù)進(jìn)一步的研究中,將結(jié)合模式識別的相關(guān)算法進(jìn)一步提高動作識別率。
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Research on wireless wearable somatosensory interaction device base on 9-axis motion sensor
Wang Huitang
(Xiamen Xintong Huian Technology Co., Ltd., Xiamen 361026, China)
In view of the problems of high cost and tedious usage of the VR/AR somatosensory interaction device, a low cost and lightweight somatosensory interaction scheme is proposed in this paper.The hardware design is based on BLE and 9-axis sensors, combination of AHRS and movements recognition algorithm is adopted in software. Only wear 3 wearable devices, you can achieve manual hand and body movements identi fi ed.
9-axis sensor; BLE; AHRS; movements recognition
王輝堂(1981— ),男,福建廈門。