便攜式智能仰臥起坐計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

華志遠(yuǎn)，王奕智，李全彬

（1.江蘇師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 徐州 221100；2.江蘇師范大學(xué) 江蘇圣理工學(xué)院-中俄學(xué)院，江蘇 徐州 221100）

0 引 言

仰臥起坐是大學(xué)體育的必測科目之一，市場主流的仰臥起坐測試儀普遍笨重，漏檢問題嚴(yán)重，對受測群體也不友好[1]，且成本較高，單個售價在1 600 元至6 400 元不等。隨著微電子計(jì)數(shù)的發(fā)展，MEMS 陀螺儀憑借其體積小、價格便宜、測量范圍大等優(yōu)勢在姿態(tài)測量方面逐漸被廣泛使用。

MEMS 陀螺儀采集的數(shù)據(jù)需要利用信息處理算法進(jìn)行姿態(tài)確定。角速率積分法和組合系統(tǒng)姿態(tài)確定法是最常應(yīng)用的兩種姿態(tài)確定方法[2]。其中角速度積分法難以避免累計(jì)誤差與適應(yīng)范圍有限的問題，而組合系統(tǒng)姿態(tài)確定法可以融合加速度計(jì)、陀螺儀等，使得測量結(jié)果更加精確。考慮到MEMS傳感器易受干擾，由IMU 直接采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的姿態(tài)角存在較大誤差。為了解決這一問題，張澤權(quán)[3]提出了一種改進(jìn)雙層卡爾曼濾波融合算法，可以有效地對噪聲起到濾波作用，對磁力計(jì)、加速度計(jì)與陀螺儀具有良好的數(shù)據(jù)融合性能。

MPU6050 作為一款6 軸（加速度計(jì)與陀螺儀）運(yùn)動處理組件，解決了加速度計(jì)與陀螺儀組合時伴隨的時間軸之差的問題[4]。在水下平臺姿態(tài)測量[4]、智能平衡小車的姿態(tài)信息獲取[5]方面取得了不錯的效果。有學(xué)者提出，MPU6050配合單片機(jī)可以用于人體運(yùn)動姿態(tài)測量，并成功識別人體的啞鈴動作[6]與跌倒姿態(tài)檢測[7]。

在智能化仰臥起坐計(jì)數(shù)方面，已有研究人員提出了一些解決方案。文獻(xiàn)[8]利用傳感器測量人體運(yùn)動姿態(tài)角度，針對肘關(guān)節(jié)角度測量提出一種二級擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，優(yōu)點(diǎn)是可以避免歐拉角的萬向節(jié)鎖問題，有效避免磁場干擾，但是由于算法較為復(fù)雜，難以通過STM32 系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時解算傾角。文獻(xiàn)[9]針對深度學(xué)習(xí)技術(shù)在仰臥起坐測試領(lǐng)域的實(shí)時性較差問題，提出了一種改進(jìn)目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)的仰臥起坐測試計(jì)數(shù)算法。該算法的實(shí)現(xiàn)需要借助高性能設(shè)備，成本較高。文獻(xiàn)[10]則利用MPU9250 搭配單片機(jī)獲取人體在仰臥起坐運(yùn)動時的傾角變化，具有很高的參考價值。

本文設(shè)計(jì)了一款便攜、成本低廉的智能仰臥起坐計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器使用MPU6050 內(nèi)部的數(shù)字運(yùn)動處理單元（DMP）對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和信息融合，可直接讀取四元數(shù)[11]。這使得主控芯片擺脫繁瑣的數(shù)據(jù)濾波與融合，對動作捕獲的靈敏度大大提升。設(shè)備外觀設(shè)計(jì)成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，方便安裝在測試者的手臂上；利用姿態(tài)解算出的翻滾角作為參考角，使用霍爾傳感器和光敏傳感器輔助判斷，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的仰臥起坐計(jì)數(shù)；設(shè)備具有通信接口，可以將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多臺設(shè)備的同時計(jì)數(shù)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)備采用在手臂處安裝監(jiān)測手環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)對測試人員的仰臥起坐計(jì)數(shù)。監(jiān)測手環(huán)主板（如圖1 所示）主控芯片使用STM32F103C8T6，利用MPU6050 姿態(tài)傳感器配合霍爾傳感器與光敏電阻實(shí)現(xiàn)姿態(tài)判斷。手環(huán)上配備OLED 屏幕，用于數(shù)據(jù)顯示，通過NRF24L01 芯片實(shí)現(xiàn)與外部智能設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

圖1 系統(tǒng)主板設(shè)計(jì)

監(jiān)測手環(huán)（外觀如圖2 所示）由測試人員佩戴，其中使用MEMS 模塊解算測試人員的運(yùn)動傾角，使用光敏傳感器與霍爾傳感器判斷測試人員的關(guān)鍵動作是否符合運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)，用于捕捉測試人員的動作數(shù)據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)判斷動作是否合規(guī)。監(jiān)測手環(huán)將仰臥起坐的數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在OLED 屏幕上面。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖2 系統(tǒng)外觀

圖3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2 仰臥起坐動作捕捉功能設(shè)計(jì)

仰臥起坐計(jì)數(shù)包含三個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)：（1）雙臂彎曲度判斷；（2）身體傾斜角度判斷；（3）觸碰到膝關(guān)節(jié)的判斷。因此，設(shè)計(jì)中包括用于測量人體傾角的姿態(tài)角度傳感器、用來檢測仰臥起坐過程中內(nèi)肘關(guān)節(jié)是否夾緊的光敏電阻以及用來判斷上半身向膝蓋處靠攏時動作是否到位的霍爾傳感器。通過這三個傳感器實(shí)現(xiàn)對仰臥起坐姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集。

2.1 身體傾角解算

本文使用的運(yùn)動姿態(tài)檢測傳感器為InvenSense 公司的MPU6050。該芯片內(nèi)部自帶的數(shù)字運(yùn)動處理器，通過加載官方固件，可以讀取經(jīng)由芯片解算后的四元數(shù)。為了能夠更加方便地描述人體在仰臥起坐運(yùn)動過程中上臂的姿態(tài)變化，本文將讀取到的四元數(shù)經(jīng)過變換后得到歐拉角。翻滾角α、俯仰角β、偏航角γ的轉(zhuǎn)換公式如下[12]：

為了檢測解算姿態(tài)算法的可靠性，在靜置狀態(tài)下測試了MPU6050 的零點(diǎn)偏移情況，結(jié)果如圖4 ～圖6 所示。

圖5 翻滾角靜置實(shí)驗(yàn)

圖6 俯仰角靜置實(shí)驗(yàn)

偏航角的零點(diǎn)在長時間靜置下偏移嚴(yán)重，而翻滾角和俯仰角在長時間的靜置下零點(diǎn)附近僅有微小擾動。本文使用翻滾角作為姿態(tài)檢測的參考角度。

為了測量仰臥起坐時的人體姿態(tài)變化，需要建立以臀關(guān)節(jié)為中心點(diǎn)的連桿模型。MPU6050 初始化角度時，以測試者的身體正前方為Z軸，左臂方向?yàn)閄軸，頭指Y軸，建立三維坐標(biāo)系[13]。

文獻(xiàn)[14]與文獻(xiàn)[15]指出歐拉角存在“奇點(diǎn)”問題。在實(shí)際測試時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MPU6050的X軸指向地面或者正上方時，俯仰角會發(fā)生不規(guī)律的極大擾動，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度。本設(shè)備將監(jiān)測手環(huán)安裝在左上臂內(nèi)側(cè)，可以確保X軸不會指向地面，有效解決了俯仰角擾動問題。

2.2 身體姿態(tài)檢測

霍爾傳感器可以通過輸出的電壓值表示磁場的大小，在相同的條件下，其距離磁鐵越近輸出的電壓越大，距離磁鐵越遠(yuǎn)輸出的電壓越小。通過輸出電壓的大小可以判斷傳感器與磁鐵的距離。如圖7 所示，在測試者的膝蓋處放置磁鐵，在手肘處安置霍爾傳感器。在仰臥起坐的標(biāo)準(zhǔn)姿勢中，要求兩肘觸及或超過雙膝。本設(shè)備可以根據(jù)磁場強(qiáng)度是否達(dá)到霍爾傳感器的觸發(fā)閾值判斷本次仰臥起坐的動作是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 設(shè)備佩戴示意圖

仰臥起坐運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)中還要求測試者將肘部關(guān)節(jié)合緊。在肘部關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)放置光敏電阻，如圖8所示，當(dāng)肘部關(guān)節(jié)合緊后，肘部內(nèi)側(cè)的光敏電阻因?yàn)楣饩€強(qiáng)度不同，其阻值會發(fā)生變化。由此判斷測試者的關(guān)節(jié)是否夾緊。

圖8 光敏電阻放置圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)初始化時，需要將儀器放平，自動配置MPU6050的參數(shù)，建立空間直角坐標(biāo)系。用戶需要在上臂佩戴該設(shè)備，在膝蓋處佩戴含有磁鐵的綁帶。當(dāng)設(shè)備的按鍵被按下后，設(shè)備自動開始計(jì)數(shù)工作。在用戶平躺時，程序記錄下用戶平躺時的姿態(tài)數(shù)據(jù)，作為傾角的起始角度；當(dāng)用戶起身后，主控芯片實(shí)時解算姿態(tài)傳感器的傾角數(shù)據(jù)；當(dāng)檢測到傾角達(dá)到最大值后，設(shè)該值為結(jié)束角度。仰臥起坐成功計(jì)數(shù)的第一條件為結(jié)束角度與起始的差值大于設(shè)定閾值。在用戶做仰臥起坐時，在內(nèi)肘處的光敏電阻會實(shí)時檢測用戶的內(nèi)肘是否夾緊，并將手臂是否夾緊作為仰臥起坐計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的第二條件。在用戶起身時，霍爾傳感器會檢測設(shè)備與膝蓋處磁鐵的距離，并將手肘是否觸碰膝蓋周圍作為仰臥起坐計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的第三條件。在規(guī)定的時間內(nèi)，設(shè)備自動計(jì)數(shù)后，將不合格的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)剔除，最終計(jì)數(shù)結(jié)果通過OLED 顯示。監(jiān)測手環(huán)工作邏輯如圖9 所示。本設(shè)備預(yù)留有NRF24L01 通信模塊，最終的數(shù)據(jù)可通過該通信模塊無線傳輸至上位機(jī)設(shè)備。

圖9 監(jiān)測手環(huán)工作邏輯

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將設(shè)備在地面水平放置，等待MPU6050 模塊初始化完成后，將設(shè)備安裝至測試者上臂并開始測試，如圖10 和圖11 所示。記錄測試者的翻滾角變化如圖12 所示。

圖10 測試者佩戴設(shè)備

圖11 仰臥起坐測試動作

圖12 翻滾角變化

為了測試設(shè)備對不同的測試人員的適應(yīng)性，實(shí)驗(yàn)選取三名測試者，測試結(jié)果見表1 所列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用MPU6050 傳感器可以較好地捕捉測試者的動作變化；當(dāng)測試者出現(xiàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)的動作時，光敏電阻和霍爾傳感器可以敏銳地捕捉到，并剔除不標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)數(shù)個數(shù)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的仰臥起坐計(jì)數(shù)。

表1 不同測試者測試結(jié)果及準(zhǔn)確率

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種智能化的便攜式仰臥起坐計(jì)數(shù)器，利用嵌入式芯片與智能姿態(tài)傳感器，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的仰臥起坐計(jì)數(shù)，可以完美替代傳統(tǒng)的人工計(jì)數(shù)方式。設(shè)備留有外設(shè)通信接口，未來可以通過無線通信的方式，實(shí)現(xiàn)仰臥起坐數(shù)據(jù)的智能化組網(wǎng)及數(shù)據(jù)處理。