基于六軸傳感器的速度滑冰滑行動作捕捉系統的研制

朱明

中圖分類號：G862 文獻標識：A 文章編號：1009-9328（2016）08-040-01

摘 要 為滿足速度滑冰滑行技術動作特征研究的需要，研制一套基于六軸運動傳感器的速滑動作捕捉系統。該系統主要由傳感器、數采系統以及數據分析軟件組成，通過三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器等采樣儀器，對運動員滑行過程中相關運動學參數進行實時無線采集，結合同步跟蹤視頻，對速滑運動員不同階段的滑行技術特征進行分析，發現滑行技術方面存在的問題，為今后開展速度滑冰三維運動人體建模提供驅動數據。

關鍵詞 速度滑冰 陀螺儀 加速度傳感器

一、引言

速度滑冰作為競速類項目，對速滑運動員冰上滑行全程技術動作特征的獲取、分析與優化極其重要。傳感器檢測方法能夠進行全程的監測，但是由于傳感器的工作原理，只有合適的降噪處理才能獲取穩定、準確的數據，因此，對傳感器檢測方案進行優化才能更適合于速度滑冰運動。設計并開發一套MEMS六軸運動傳感器系統，最大程度的減輕傳感器對運動員滑行動作的干擾，在信號降噪、信號融合、姿態解算等方面的優化處理，使整套系統更為適應速度滑冰滑行動作特征的采集，更為準確的還原速滑運動員技術特點，為速滑項目技術改進提供科學依據。

二、研究內容

（一）數字信號處理方法的研究。對受測對象姿態的測量通常采用加速度計與陀螺儀采集瞬時加速度和角速度信息，對其進行積分運算，獲取方向角、俯仰角等姿態數據。但在實際使用過程中，存在傳感器零位漂移、隨機干擾等因素影響，需要對系統原始采樣信號進行濾波處理。通過硬件或軟件降噪的方式進行數字信號的處理，軟件降噪采用數字濾波（如低通濾波等）和卡爾曼濾波等技術，保障采樣信息的準確還原。

（二）無線傳輸方式的研究。速滑項目存在運動范圍大、場館封閉，對無線傳輸方式進行研究。主要對IEEE802.11無線局域網、ZIGBEE、藍牙等現有無線傳輸技術進行研究，確保系統無線傳輸模塊在傳輸距離與速率、信號穩定性、硬件體積等達到均衡化同時滿足速滑專項特點的需要。

（三）數據采集與處理速度的研究。本系統需要滿足多通道同步采集與處理分析功能，即在上位機接收下位機傳輸數據的同時對數據進行快速解算，需要在較短時間內向用戶提供運動員動作姿態信息，需要對上位機處理分析程序采用并行運算方式實現。對計算機并行處理技術的研究，降低系統上位機姿態信息反饋結果處理時間，實現系統較高采樣率的較好的用戶體驗。

（四）姿態融合技術的研究。對原始加速度和角速度信息數據進行加工處理，生成可參考的姿態信息。對加速度與角速度姿態融合技術進行研究，采用硬件協處理器或軟件算法的方式對原始數據進行解算，生成四元數，最終得出不同受測部位瞬時歐拉角（航向角、橫滾角、俯仰角）等實時姿態信息，幫助運動員了解自身技術動作情況。

三、研究過程

（一）傳感器監測與數采系統設計

為降低系統技術開發難度，采用MPU60X099軸運動傳感器與STM32單片機作為下位機監測與數據采集功能的技術方案。MPU6050六軸傳感器采集原始角速度和加速度信息，通過I2C總線上傳到STM32單片機中，單片機再將數據進行分類打包后存入FLASH芯片中（24C512），將原始數據通過串口上傳給HLK-RM04無線傳輸處理模塊，HLK-RM04將數據包轉為WIFI無線信號發射到上位機。

（二）數據處理分析軟件設計

1.數據采集處理模塊。用于對下位機發送TCP數據包進行接收、轉換以及數字濾波處理。將16進制原始數據轉換為三軸向加速度以及角速度信息后，用于TXT數據文件的同步存儲以及數據曲線的實時顯示。

2.數據分析模塊。用于以存儲六軸傳感器數據的后期分析，將導入的存儲加速度和角速度信息通過數據曲線的形式呈現，根據用戶選擇的業務分析選項，按照預置的業務處理類將計算結果反饋給用戶。

3.姿態圖形顯示模塊。用于加速度與角速度信息的姿態融合，通過程序預置算法將六軸傳感器數據轉換為四元數，再生成為歐拉角，即航向角（yaw）、橫滾角（roll）、俯仰角（pitch），通過棍圖的方式將運動員受測部位的姿態信息在用戶界面中進行呈現。

4.同步圖像模塊。基于視頻采集卡SDK以及數字同步器將運動員滑行同步圖像采集，在用戶界面中進行播放，用于數據曲線以及姿態圖形的同步分析，為用戶提供更加直觀的反饋形式。

四、總結

引用更為復雜的六軸運動傳感器，有效解決了單一類型傳感器信息量不足的缺點，較為全面對速度滑冰滑行動作的技術特征進行捕捉與分析，對整體技術方案優化設計，有效提高了采樣率、傳輸距離、信號處理等技術指標和方法，解決了速度滑冰這種運動范圍大、動作頻率高的競技項目技術分析難題，為向其他體育項目擴展應用提供了基礎。

參考文獻：

[1] 陳航科，張東等.基于Kalman濾波算法的姿態傳感器信號融合技術研究術[J].傳感器與微系統.2013（12）：82-85.

[2] 谷麗華，崔暢等.基于MPU-6050的步態信號采集系統[J].沈陽工業大學學報.2015，37（2）：176-182.