便攜式智能仰臥起坐計數器的設計

華志遠，王奕智，李全彬

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

0 引 言

仰臥起坐是大學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。隨著微電子計數的發展，MEMS 陀螺儀憑借其體積小、價格便宜、測量范圍大等優勢在姿態測量方面逐漸被廣泛使用。

MEMS 陀螺儀采集的數據需要利用信息處理算法進行姿態確定。角速率積分法和組合系統姿態確定法是最常應用的兩種姿態確定方法[2]。其中角速度積分法難以避免累計誤差與適應范圍有限的問題，而組合系統姿態確定法可以融合加速度計、陀螺儀等，使得測量結果更加精確。考慮到MEMS傳感器易受干擾，由IMU 直接采集到的數據轉換成的姿態角存在較大誤差。為了解決這一問題，張澤權[3]提出了一種改進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、加速度計與陀螺儀具有良好的數據融合性能。

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

在智能化仰臥起坐計數方面，已有研究人員提出了一些解決方案。文獻[8]利用傳感器測量人體運動姿態角度，針對肘關節角度測量提出一種二級擴展卡爾曼濾波算法，優點是可以避免歐拉角的萬向節鎖問題，有效避免磁場干擾，但是由于算法較為復雜，難以通過STM32 系列單片機實現實時解算傾角。文獻[9]針對深度學習技術在仰臥起坐測試領域的實時性較差問題，提出了一種改進目標檢測網絡的仰臥起坐測試計數算法。該算法的實現需要借助高性能設備，成本較高。文獻[10]則利用MPU9250 搭配單片機獲取人體在仰臥起坐運動時的傾角變化，具有很高的參考價值。

本文設計了一款便攜、成本低廉的智能仰臥起坐計數器。計數器使用MPU6050 內部的數字運動處理單元（DMP）對傳感器數據進行濾波和信息融合，可直接讀取四元數[11]。這使得主控芯片擺脫繁瑣的數據濾波與融合，對動作捕獲的靈敏度大大提升。設備外觀設計成環狀結構，方便安裝在測試者的手臂上；利用姿態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，實現準確的仰臥起坐計數；設備具有通信接口，可以將數據上傳至上位機設備，實現多臺設備的同時計數。

1 系統硬件設計

本設備采用在手臂處安裝監測手環的方式實現對測試人員的仰臥起坐計數。監測手環主板（如圖1 所示）主控芯片使用STM32F103C8T6，利用MPU6050 姿態傳感器配合霍爾傳感器與光敏電阻實現姿態判斷。手環上配備OLED 屏幕，用于數據顯示，通過NRF24L01 芯片實現與外部智能設備的數據通信。

圖1 系統主板設計

監測手環（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動傾角，使用光敏傳感器與霍爾傳感器判斷測試人員的關鍵動作是否符合運動標準，用于捕捉測試人員的動作數據，按照標準判斷動作是否合規。監測手環將仰臥起坐的數據實時顯示在OLED 屏幕上面。系統電路設計如圖3 所示。

圖2 系統外觀

圖3 系統電路設計

2 仰臥起坐動作捕捉功能設計

仰臥起坐計數包含三個關鍵的環節：（1）雙臂彎曲度判斷；（2）身體傾斜角度判斷；（3）觸碰到膝關節的判斷。因此，設計中包括用于測量人體傾角的姿態角度傳感器、用來檢測仰臥起坐過程中內肘關節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現對仰臥起坐姿態數據的采集。

2.1 身體傾角解算

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

為了檢測解算姿態算法的可靠性，在靜置狀態下測試了MPU6050 的零點偏移情況，結果如圖4 ～圖6 所示。

圖5 翻滾角靜置實驗

圖6 俯仰角靜置實驗

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

為了測量仰臥起坐時的人體姿態變化，需要建立以臀關節為中心點的連桿模型。MPU6050 初始化角度時，以測試者的身體正前方為Z軸，左臂方向為X軸，頭指Y軸，建立三維坐標系[13]。

文獻[14]與文獻[15]指出歐拉角存在“奇點”問題。在實際測試時發現，當MPU6050的X軸指向地面或者正上方時，俯仰角會發生不規律的極大擾動，嚴重影響數據采集的準確度。本設備將監測手環安裝在左上臂內側，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。在仰臥起坐的標準姿勢中，要求兩肘觸及或超過雙膝。本設備可以根據磁場強度是否達到霍爾傳感器的觸發閾值判斷本次仰臥起坐的動作是否符合標準。

圖7 設備佩戴示意圖

仰臥起坐運動標準中還要求測試者將肘部關節合緊。在肘部關節內側放置光敏電阻，如圖8所示，當肘部關節合緊后，肘部內側的光敏電阻因為光線強度不同，其阻值會發生變化。由此判斷測試者的關節是否夾緊。

圖8 光敏電阻放置圖

3 系統軟件設計

本系統初始化時，需要將儀器放平，自動配置MPU6050的參數，建立空間直角坐標系。用戶需要在上臂佩戴該設備，在膝蓋處佩戴含有磁鐵的綁帶。當設備的按鍵被按下后，設備自動開始計數工作。在用戶平躺時，程序記錄下用戶平躺時的姿態數據，作為傾角的起始角度；當用戶起身后，主控芯片實時解算姿態傳感器的傾角數據；當檢測到傾角達到最大值后，設該值為結束角度。仰臥起坐成功計數的第一條件為結束角度與起始的差值大于設定閾值。在用戶做仰臥起坐時，在內肘處的光敏電阻會實時檢測用戶的內肘是否夾緊，并將手臂是否夾緊作為仰臥起坐計數標準的第二條件。在用戶起身時，霍爾傳感器會檢測設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數標準的第三條件。在規定的時間內，設備自動計數后，將不合格的計數數據剔除，最終計數結果通過OLED 顯示。監測手環工作邏輯如圖9 所示。本設備預留有NRF24L01 通信模塊，最終的數據可通過該通信模塊無線傳輸至上位機設備。

圖9 監測手環工作邏輯

4 實驗結果

將設備在地面水平放置，等待MPU6050 模塊初始化完成后，將設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 測試者佩戴設備

圖11 仰臥起坐測試動作

圖12 翻滾角變化

為了測試設備對不同的測試人員的適應性，實驗選取三名測試者，測試結果見表1 所列。實驗結果表明，利用MPU6050 傳感器可以較好地捕捉測試者的動作變化；當測試者出現不符合標準的動作時，光敏電阻和霍爾傳感器可以敏銳地捕捉到，并剔除不標準的計數個數，實現了準確的仰臥起坐計數。

表1 不同測試者測試結果及準確率

5 結 語

本文設計了一種智能化的便攜式仰臥起坐計數器，利用嵌入式芯片與智能姿態傳感器，實現準確的仰臥起坐計數，可以完美替代傳統的人工計數方式。設備留有外設通信接口，未來可以通過無線通信的方式，實現仰臥起坐數據的智能化組網及數據處理。