一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统及方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201210410042.3

申请日:

2012.10.24

公开号:

CN103105176A

公开日:

2013.05.15

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01C 23/00申请日:20121024|||公开

IPC分类号:

G01C23/00; H04B5/00

主分类号:

G01C23/00

申请人:

清华大学深圳研究生院

发明人:

张盛; 刘艺; 马天鸣; 肖康

地址:

518055 广东省深圳市南山区西丽大学城清华校区A306

优先权:

专利代理机构:

深圳市瑞方达知识产权事务所(普通合伙) 44314

代理人:

张秋红;张约宗

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内容摘要

本发明公开了一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统及方法,运动跟踪系统包括:上位机、多个蓝牙主机、及设置在每个节点上的感测装置,感测装置包括:MEMS传感单元,用于每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数;数据处理单元,用于对所采集的运动参数进行融合处理,以获得被跟踪物相应节点的运动信息,并将运动信息通过数据接口发送至相应的蓝牙从机;蓝牙从机,用于将所接收的运动信息转换为蓝牙信号,并利用蓝牙协议将蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机;上位机,用于从多个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号,以生成被跟踪物的运动信息。实施本发明的技术方案,满足运动跟踪系统多节点、高速率的要求,而且,扩展性和灵活性好。

权利要求书

权利要求书一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统,用于跟踪被跟踪物的运动,其特征在于,所述被跟踪物具有多组节点,且每组节点的节点数量最多为七个;所述运动跟踪系统包括:上位机、与所述上位机连接且与每组节点对应的多个蓝牙主机、及设置在每个节点上的感测装置,所述感测装置包括:MEMS传感单元、数据处理单元、数据接口及蓝牙从机,其中,
所述MEMS传感单元,用于每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数;
所述数据处理单元,用于对所采集的运动参数进行融合处理,以获得被跟踪物相应节点的运动信息,并将所述运动信息通过所述数据接口发送至相应的蓝牙从机;
所述蓝牙从机,用于将所接收的运动信息转换为蓝牙信号,并利用蓝牙协议将所述蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机;
所述上位机,用于从所述多个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号,以生成被跟踪物的运动信息。
根据权利要求1所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统,其特征在于,所述上位机还用于通过相应的蓝牙主机将相应的指令信号发送至相应的蓝牙从机。
根据权利要求1所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统,其特征在于,所述MEMS传感器包括分别设置在X、Y、Z每个轴上的加速度计、陀螺仪和磁传感器,且X、Y、Z三轴正交设置;所述感测装置还包括校正单元,所述校正单元用于对每个轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处理,并将校正后的数据送入相应的数据处理单元。
根据权利要求3所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统,其特征在于,所述校正单元通过球形约束算法对磁传感器所采集的数据进行校正处理。
根据权利要求3所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统,其特征在于,所述感测装置还包括:
存储单元,用于以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。
根据权利要求1所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统,其特征在于,所述感测装置还包括供电电源和电压管理单元,且所述供电电源通过所述电压管理单元为所述MEMS传感单元、数据处理单元、蓝牙从机供电。
根据权利要求6所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统,其特征在于,所述感测装置还包括充电接口和充电管理单元,且所述充电接口用于从市电取电,并通过所述充电管理单元为所述供电电源充电。
一种基于MEMS传感器的运动跟踪方法,其特征在于,包括:
A.设置在被跟踪物的每个节点上的MEMS传感单元每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数;
B.设置在被跟踪物的每个节点上的数据处理单元对所采集的运动参数进行融合处理,以获得被跟踪物相应节点的运动信息,并将所述运动信息通过所述数据接口发送至相应的蓝牙从机;
C.设置在被跟踪物的每个节点上的蓝牙从机将所接收的运动信息转换为蓝牙信号,并利用蓝牙协议将所述蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机;
D. 上位机从各个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号,以生成被跟踪物的运动信息。
根据权利要求8所述的基于MEMS传感器的运动跟踪方法,其特征在于,所述MEMS传感器包括分别设置在X、Y、Z每个轴上的加速度计、陀螺仪和磁传感器,且X、Y、Z三轴正交设置;
在所述步骤A和步骤B之间,还包括:
E.设置在被跟踪物的每个节点上的校正单元对每个轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处理,并将校正后的数据送入数据处理单元。
根据权利要求9所述的基于MEMS传感器的运动跟踪方法,其特征在于,在所述步骤A和步骤E之间,还包括:
以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。

说明书

说明书一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统及方法
技术领域
本发明涉及运动跟踪领域,尤其涉及一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统及方法。
背景技术
运动跟踪系统是记录物体(如人体等)运动姿态的装置。其主要由以下两种形式实现:第一种是通过外部传感设备,比如电磁学、声学或光学设备。以外部设备为主的跟踪系统主要由测量信号源、信号反馈装置和接收传感器组成,通过由被测物反馈信号源产生的特定测量信号,接收传感器利用其中携带的信息还原被测物运动过程。第二种是通过附着于被跟踪物的MEMS(Micro Electro Mechanical System,微机电系统)传感器采集数据,由一定的算法直接计算被测物运动状态。以上两种方式中,外部传感方式,如光学测量,具有精度高、分辨度高的特点,但是成本高,安装难度大,前期准备时间长;而采用MEMS传感器的方法具有更少的限制与更强的环境适应性。
目前应用于三维空间运动跟踪系统的比较成熟的MEMS解决方案是:使用三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器共九维数据,利用一定的数据融合算法得到被测物姿态的三维旋转角和三维空间位移。由于每个跟踪节点需要传输的数据除这些信息之外,一般还针对各种具体应用附带了自定义信息,并且为满足系统实时性需求,数据更新频率一般在50Hz以上,因此信息传输量大;同时节点数量必须满足应用的要求(一般人体全身跟踪需要17个以上的节点)。传统传感器网络低功耗低速率脉冲式的无线通信协议并不适合直接应用在这类系统中,因为:现有系统一般先将各节点统一或部分使用电缆有线连接到某些运动的嵌入式系统上,再使用无线通信方式将汇总的数据传输至上位机。但这些方法由于节点数量与位置受到限制,功耗也受到限制,从而影响了基于MEMS传感器的运动跟踪系统的可扩展性和灵活性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述基于MEMS传感器的运动跟踪系统的可扩展性和灵活性差的缺陷,提供一种可扩展性和灵活性好的基于MEMS传感器的运动跟踪系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统,用于跟踪被跟踪物的运动,所述被跟踪物具有多组节点,且每组节点的节点数量最多为七个;所述运动跟踪系统包括:上位机、与所述上位机连接且与每组节点对应的多个蓝牙主机、及设置在每个节点上的感测装置,所述感测装置包括:MEMS传感单元、数据处理单元、数据接口及蓝牙从机,其中,
所述MEMS传感单元,用于每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数;
所述数据处理单元,用于对所采集的运动参数进行融合处理,以获得被跟踪物相应节点的运动信息,并将所述运动信息通过所述数据接口发送至相应的蓝牙从机;
所述蓝牙从机,用于将所接收的运动信息转换为蓝牙信号,并利用蓝牙协议将所述蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机;
所述上位机,用于从所述多个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号,以生成被跟踪物的运动信息。
在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统中,所述上位机还用于通过相应的蓝牙主机将相应的指令信号发送至相应的蓝牙从机。
在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统中,所述MEMS传感器包括分别设置在X、Y、Z每个轴上的加速度计、陀螺仪和磁传感器,且X、Y、Z三轴正交设置;所述感测装置还包括校正单元,所述校正单元用于对每个轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处理,并将校正后的数据送入相应的数据处理单元。
在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统中,所述校正单元通过球形约束算法对磁传感器所采集的数据进行校正处理。
在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统中,所述感测装置还包括:
存储单元,用于以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。
在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统中,所述感测装置还包括供电电源和电压管理单元,且所述供电电源通过所述电压管理单元为所述MEMS传感单元、数据处理单元、蓝牙从机供电。
在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统中,所述感测装置还包括充电接口和充电管理单元,且所述充电接口用于从市电取电,并通过所述充电管理单元为所述供电电源充电。
本发明还构造一种基于MEMS传感器的运动跟踪方法,包括:
A.设置在被跟踪物的每个节点上的MEMS传感单元每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数;
B.设置在被跟踪物的每个节点上的数据处理单元对所采集的运动参数进行融合处理,以获得被跟踪物相应节点的运动信息,并将所述运动信息通过所述数据接口发送至相应的蓝牙从机;
C.设置在被跟踪物的每个节点上的蓝牙从机将所接收的运动信息转换为蓝牙信号,并利用蓝牙协议将所述蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机;
D.上位机从各个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号,以生成被跟踪物的运动信息。
在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪方法中,所述MEMS传感器包括分别设置在X、Y、Z每个轴上的加速度计、陀螺仪和磁传感器,且X、Y、Z三轴正交设置;
在所述步骤A和步骤B之间,还包括:
E.设置在被跟踪物的每个节点上的校正单元对每个轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处理,并将校正后的数据送入数据处理单元。
在本发明所述的基于MEMS传感器的运动跟踪方法中,在所述步骤A和步骤E之间,还包括:
以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。
实施本发明的技术方案,相较现有的运动跟踪系统,其优点在于:由于单一蓝牙子网最多仅需承受7个节点的数据通信压力,为通信速率留出足够余量,同时能够满足运动跟踪系统多节点、高速率的要求。而且,使用了蓝牙协议无线组网,使节点完全物理独立,当节点数量大幅度增加时无需技术投入,直接增加与上位机连接的蓝牙主机数即可,理论上无最大节点数限制,方便适应不同的跟踪对象,因此,可根据应用灵活调整蓝牙子网数量,扩展性和灵活性好。
同时,通过对磁传感器所采集的数据进行校正,抑制了环境中的硬铁干扰,特别是电池、无线信号等产生的影响,提高了跟踪精度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统实施例一的逻辑图;
图2是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统中感测装置实施例一的逻辑图;
图3是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统中感测装置的MEMS传感器实施例一的逻辑图;
图4是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统中感测装置实施例二的逻辑图;
图5是本发明磁传感器所采集的磁数据队列存储的示意图;
图6是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪方法实施例一的流程图;
图7是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪方法实施例二的流程图。
具体实施方式
图1是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统实施例一的逻辑图,该运动跟踪系统用于跟踪被跟踪物(例如人体)的运动,该被跟踪物具有多组节点,且每组节点的节点数量最多为七个,例如,第一组节点分别为节点1.1、1.2、…、1.7,第二组节点分别为节点2.1、2.2、…、2.7,第三组节点分别为节点n.1、n.2、…、n.7。还应说明的是,节点的分组是人为操作,与节点的自然属性无关。且该运动跟踪系统包括:上位机14、与每组节点对应的多个蓝牙主机,例如与第一组节点对应的蓝牙主机13、及设置在每个节点上的感测装置,例如设置在节点1.1上的感测装置11。其中,多个蓝牙主机分别与上位机14连接,而且,结合图2所示的感测装置实施例一的逻辑图,该感测装置,例如感测装置11,包括:MEMS传感单元111、数据处理单元112、数据接口113和蓝牙从机114,而且,MEMS传感单元111用于每隔预设时间采集一次被跟踪物节点1.1的运动参数,为了保证跟踪系统的动态性能,这个间隔时间通常小于20ms;数据处理单元112用于对所采集的运动参数进行融合处理,例如,通过扩展的卡尔曼滤波器进行滤波,以获得被跟踪物节点1.1的运动信息,并将所述运动信息通过数据接口113发送至蓝牙从机114,例如,将运动信息和附加信息打包,以数据帧的格式通过数据接口送至蓝牙从机;蓝牙从机114用于将所接收的运动信息转换为蓝牙信号12,并利用蓝牙协议将蓝牙信号12发送至蓝牙主机13。蓝牙主机13一般是上位机(中央计算机)蓝牙适配器,通过接收各节点蓝牙从机发回的数据,将数据传输给上位机进行进一步处理。上位机14用于从多个蓝牙主机,例如蓝牙主机13,收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号,以生成被跟踪物的运动信息。另外,上位机14还用于通过相应的蓝牙主机,例如蓝牙主机13,将相应的指令信号发送至相应的蓝牙从机,例如蓝牙从机114。
在本实施例的跟踪系统中,使用蓝牙协议进行无线组网,虽然一个蓝牙主机仅支持最多7个蓝牙从机接入,但具备较高通信速率、较低实现成本、较远通信距离(蓝牙信号功率Class1等级下可达100m以上)和合适的功率消耗等优势。如图1所示,在一个蓝牙子网15内,节点11的感测装置将通过传感、计算及打包的数据帧通过蓝牙信号12发送至蓝牙主机13,再由蓝牙主机13将本子网节点的数据送至上位机14进行进一步处理。由于各节点与上位机之间采用蓝牙协议通信,各蓝牙主机最多接入7个节点,而运动跟踪系统节点数量一般为该值二至三倍,例如17个。而且,本发明还可使用额外的蓝牙主机进行扩展,由于上位机14连接蓝牙主机的数量理论上不受限制,扩展数量并不提高技术难度,因此利用多个蓝牙主机提供各自的蓝牙子网,可以成倍数扩大节点数量。
该种方式的优点在于,由于单一蓝牙子网最多仅需承受7个节点的数据通信压力,为通信速率留出足够余量,同时能够满足运动跟踪系统多节点、高速率的要求,且系统可根据应用灵活调整蓝牙子网数量。
图3是发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统中感测装置的MEMS传感器实施例一的逻辑图,该MEMS传感器包括分别设置在X、Y、Z每个轴上的加速度计411、412、413、陀螺仪421、422、423和磁传感器431、432、433,且X、Y、Z三轴正交设置。图4是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统中感测装置实施例二的逻辑图,该实施例的感测装置相比图2所示的实施例,所不同的仅是:该感测装置还包括校正单元115、存储单元116、电压管理单元117、供电电源118、充电接口119和充电管理单元110。其中,校正单元115用于对每个轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处理,并将校正后的数据送入数据处理单元112,也即,MEMS传感器111采集到原始数据后,一部分(加速度数据、角度数据)直接送入数据处理单元112,另一部分(磁数据)先送入校正单元115进行校正处理,主要是抑制磁传感器数据受到的硬铁(例如电池等)干扰,校正处理后再送入数据处理单元112。存储单元116用于以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据,结合图5,在运动跟踪进行时,每隔一段时间间隔采集一次磁传感器的原始数据,以队列形式动态代替存储器中最旧的数据。当跟踪开始时由于磁传感器三维空间进行自由旋转,因此队列内填充有初始数据且队列指针指向第一个元素,即认为该元素最旧。当开始新一轮数据采集时,队列指针指向的元素被清除出队,新数据被放置到该位置,并将指针向后移动一位,完成一次数据替换。当指针到达队列末尾时,向后移动一位的操作改为指向队列头(即编号1的单元)。数据替换完成之后校正单元115可利用这些值对磁传感器数据进行校正。另外,每个节点的感测装置都有独立的电源,例如,供电电源118可以是碱性电池或锂电池。当使用可更换的碱性电池时,可省略充电接口119与充电管理单元110;当使用锂电池作为供电电源118时,充电接口119从市电取电,并通过充电管理单元110为锂电池(供电电源118)充电,充电管理单元110对锂电池进行充电控制,减少其充电时间并保证其寿命。供电电源118通过电压管理单元117保证节点其余部分正常工作,例如,供电电源118通过电压管理单元117为MEMS传感单元111、数据处理单元112、蓝牙从机114供电。
在本发明基于MEMS传感器的运动跟踪系统的一个优选实施例中,校正单元115利用地磁场球形约束对原始磁数据进行校正,具体为:X、Y、Z三轴相互正交的磁传感器在不受干扰的情况下,其三个方向磁场强度矢量与地磁强度BM的满足:
<mrow><MSUP><MROW><MO>(</MO> <MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>&amp;RightArrow;</MO> </MOVER><MI>x</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP><MO>+</MO> <MSUP><MROW><MO>(</MO> <MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>&amp;RightArrow;</MO> </MOVER><MI>y</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP><MO>+</MO> <MSUP><MROW><MO>(</MO> <MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>&amp;RightArrow;</MO> </MOVER><MI>z</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP><MO>=</MO> <MSUBSUP><MI>B</MI> <MI>M</MI> <MN>2</MN> </MSUBSUP></MROW>]]&gt;</MATH></MATHS> <BR>而当磁传感器受到硬铁干扰时,其三个方向的输出值应以下式变化: <BR><MATHS num="0002"><MATH><![CDATA[ <mrow><MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>&amp;RightArrow;</MO> </MOVER><MO>*</MO> </MSUB><MO>=</MO> <MFRAC><MROW><MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>^</MO> </MOVER><MO>*</MO> </MSUB><MO>-</MO> <MSUB><MI>δB</MI> <MO>*</MO> </MSUB></MROW><MROW><MN>1</MN> <MO>+</MO> <MSUB><MI>f</MI> <MO>*</MO> </MSUB></MROW></MFRAC></MROW>]]&gt;</MATH></MATHS> <BR>其中,*可以是X、Y、Z中的任何方向,表示不受扰情况下该方向上的对应的标量值,且对应坐标轴方向,有正负之分,为受扰时磁传感器的输出数值,f*为标度因子误差值,δB*为零点偏移。f*与δB*为本发明动态解算的校正参数。 <BR>由上述两式可以得到受扰情况下磁传感器输出值与地磁强度的关系: <BR><MATHS num="0003"><MATH><![CDATA[ <mrow><MSUP><MROW><MO>(</MO> <MFRAC><MROW><MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>^</MO> </MOVER><MI>x</MI> </MSUB><MO>-</MO> <MSUB><MI>δB</MI> <MI>x</MI> </MSUB></MROW><MROW><MN>1</MN> <MO>+</MO> <MSUB><MI>f</MI> <MI>x</MI> </MSUB></MROW></MFRAC><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP><MO>+</MO> <MSUP><MROW><MO>(</MO> <MFRAC><MROW><MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>^</MO> </MOVER><MI>y</MI> </MSUB><MO>-</MO> <MSUB><MI>δB</MI> <MI>y</MI> </MSUB></MROW><MROW><MN>1</MN> <MO>+</MO> <MSUB><MI>f</MI> <MI>y</MI> </MSUB></MROW></MFRAC><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP><MO>+</MO> <MSUP><MROW><MO>(</MO> <MFRAC><MROW><MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>^</MO> </MOVER><MI>z</MI> </MSUB><MO>-</MO> <MSUB><MI>δB</MI> <MI>z</MI> </MSUB></MROW><MROW><MN>1</MN> <MO>+</MO> <MSUB><MI>f</MI> <MI>z</MI> </MSUB></MROW></MFRAC><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP><MO>=</MO> <MSUBSUP><MI>B</MI> <MI>M</MI> <MN>2</MN> </MSUBSUP></MROW>]]&gt;</MATH></MATHS> <BR>将该式进一步转化为: <BR><MATHS num="0004"><MATH><![CDATA[ <mrow><MO>-</MO> <MSUP><MROW><MO>(</MO> <MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>^</MO> </MOVER><MI>x</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP><MO>=</MO> <MO>[</MO> <MO>-</MO> <MN>2</MN> <MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>^</MO> </MOVER><MI>x</MI> </MSUB><MSUP><MROW><MO>(</MO> <MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>^</MO> </MOVER><MI>y</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP><MO>-</MO> <MN>2</MN> <MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>^</MO> </MOVER><MI>y</MI> </MSUB><MSUP><MROW><MO>(</MO> <MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>^</MO> </MOVER><MI>z</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP><MO>-</MO> <MN>2</MN> <MSUB><MOVER><MI>B</MI> <MO>^</MO> </MOVER><MI>z</MI> </MSUB><MN>1</MN> <MO>]</MO> <MFENCED close="]" open="["><MTABLE><MTR><MTD><MSUB><MI>δB</MI> <MI>x</MI> </MSUB></MTD></MTR><MTR><MTD><MSUB><MI>k</MI> <MN>2</MN> </MSUB></MTD></MTR><MTR><MTD><MSUB><MI>k</MI> <MN>2</MN> </MSUB><MROW><MO>(</MO> <MSUB><MI>δB</MI> <MI>y</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW></MTD></MTR><MTR><MTD><MSUB><MI>k</MI> <MN>3</MN> </MSUB></MTD></MTR><MTR><MTD><MSUB><MI>k</MI> <MN>3</MN> </MSUB><MROW><MO>(</MO> <MSUB><MI>δB</MI> <MI>z</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW></MTD></MTR><MTR><MTD><MSUB><MI>k</MI> <MN>4</MN> </MSUB></MTD></MTR></MTABLE></MFENCED></MROW>]]&gt;</MATH></MATHS> <BR>该式等号左边与等号右边的行向量可由受扰测量值表示,列向量可由待测校正量和地磁场强度常数表示,其中: <BR><MATHS num="0005"><MATH><![CDATA[ <mrow><MSUB><MI>k</MI> <MN>1</MN> </MSUB><MO>=</MO> <MSUBSUP><MI>B</MI> <MI>M</MI> <MN>2</MN> </MSUBSUP><MSUP><MROW><MO>(</MO> <MN>1</MN> <MO>+</MO> <MSUB><MI>f</MI> <MI>x</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP></MROW>]]&gt;</MATH></MATHS> <BR><MATHS num="0006"><MATH><![CDATA[ <mrow><MSUB><MI>k</MI> <MN>2</MN> </MSUB><MO>=</MO> <MFRAC><MSUP><MROW><MO>(</MO> <MN>1</MN> <MO>+</MO> <MSUB><MI>f</MI> <MI>x</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP><MSUP><MROW><MO>(</MO> <MN>1</MN> <MO>+</MO> <MSUB><MI>f</MI> <MI>y</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP></MFRAC></MROW>]]&gt;</MATH></MATHS> <BR><MATHS num="0007"><MATH><![CDATA[ <mrow><MSUB><MI>k</MI> <MN>3</MN> </MSUB><MO>=</MO> <MFRAC><MSUP><MROW><MO>(</MO> <MN>1</MN> <MO>+</MO> <MSUB><MI>f</MI> <MI>x</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP><MSUP><MROW><MO>(</MO> <MN>1</MN> <MO>+</MO> <MSUB><MI>f</MI> <MI>z</MI> </MSUB><MO>)</MO> </MROW><MN>2</MN> </MSUP></MFRAC></MROW>]]&gt;</MATH></MATHS> <BR>k4=(δBx)2+k2(δBy)2+k3(δBz)2‑k1 <BR>在运动跟踪开始时节点在三维空间进行自由旋转获得一定数量的原始磁强数据并存入存储器。在运动跟踪进行时,每隔一段时间间隔采集一次原始数据,以队列形式动态代替存储器中最旧的数据。因此,在运动跟踪的过程中,磁传感器数据存储器中始终保存了指定数量的原始测量值。将这些值分别代入上文得到的由矩阵表示的受扰情况下磁传感器输出值与地磁强度的第一个关系式,可以得到多个方程式,使用最小二乘法解矛盾方程组可推得等号右边列向量的最小均方误差估计,从而进一步利用第二个关系式完全解算出对应轴的f*与δB*的估计值。然后传感器校正单元240利用这些参数以及不受扰的标准值与受扰输出值之间的函数关系校正当前磁传感器数据,实现动态校正。 <BR>图6是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪方法实施例一的流程图,该运动跟踪方法包括: <BR>A.设置在被跟踪物的每个节点上的MEMS传感单元每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数; <BR>B.设置在被跟踪物的每个节点上的数据处理单元对所采集的运动参数进行融合处理,以获得被跟踪物相应节点的运动信息,并将所述运动信息通过所述数据接口发送至相应的蓝牙从机; <BR>C.设置在被跟踪物的每个节点上的蓝牙从机将所接收的运动信息转换为蓝牙信号,并利用蓝牙协议将所述蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机; <BR>D.上位机从各个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号,以生成被跟踪物的运动信息。 <BR>图7是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪方法实施例二的流程图,该实施例的运动跟踪方法相比图6所示的实施例,在步骤A和步骤B之间,还包括: <BR>E.设置在被跟踪物的每个节点上的校正单元对每个轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处理,并将校正后的数据送入数据处理单元。 <BR>在本发明基于MEMS传感器的运动跟踪方法的一个优选实施例中,在步骤A和步骤E之间,还包括:以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。 <BR>以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的权利要求范围之内。</p></div> </div> </div> </div> <div class="tempdiv cssnone" style="line-height:0px;height:0px; overflow:hidden;"> </div> <div id="page"> <div class="page"><img src='https://img.zhuanlichaxun.net/fileroot2/2018-11/2/d2accd3c-022e-4b46-baf4-3cde771634e0/d2accd3c-022e-4b46-baf4-3cde771634e01.gif' alt="一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统及方法.pdf_第1页" width='100%'/></div><div class="pageSize">第1页 / 共13页</div> <div class="page"><img src='https://img.zhuanlichaxun.net/fileroot2/2018-11/2/d2accd3c-022e-4b46-baf4-3cde771634e0/d2accd3c-022e-4b46-baf4-3cde771634e02.gif' alt="一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统及方法.pdf_第2页" width='100%'/></div><div class="pageSize">第2页 / 共13页</div> <div class="page"><img src='https://img.zhuanlichaxun.net/fileroot2/2018-11/2/d2accd3c-022e-4b46-baf4-3cde771634e0/d2accd3c-022e-4b46-baf4-3cde771634e03.gif' alt="一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统及方法.pdf_第3页" width='100%'/></div><div class="pageSize">第3页 / 共13页</div> </div> <div id="pageMore" class="btnmore" onclick="ShowSvg();">点击查看更多>></div> <div style="margin-top:20px; line-height:0px; height:0px; overflow:hidden;"> <div style=" font-size: 16px; background-color:#e5f0f7; font-weight: bold; text-indent:10px; line-height: 40px; height:40px; padding-bottom: 0px; margin-bottom:10px;">资源描述</div> <div class="detail-article prolistshowimg"> <p>《一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统及方法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统及方法.pdf(13页珍藏版)》请在专利查询网上搜索。</p> <p >1、(10)申请公布号 CN 103105176 A (43)申请公布日 2013.05.15 CN 103105176 A *CN103105176A* (21)申请号 201210410042.3 (22)申请日 2012.10.24 G01C 23/00(2006.01) H04B 5/00(2006.01) (71)申请人 清华大学深圳研究生院 地址 518055 广东省深圳市南山区西丽大学 城清华校区 A306 (72)发明人 张盛 刘艺 马天鸣 肖康 (74)专利代理机构 深圳市瑞方达知识产权事务 所 ( 普通合伙 ) 44314 代理人 张秋红 张约宗 (54) 发明名称 一种基于 。</p> <p >2、MEMS 传感器的运动跟踪系统及方 法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于 MEMS 传感器的运动 跟踪系统及方法, 运动跟踪系统包括 : 上位机、 多 个蓝牙主机、 及设置在每个节点上的感测装置, 感 测装置包括 : MEMS 传感单元, 用于每隔预设时间 采集一次被跟踪物相应节点的运动参数 ; 数据处 理单元, 用于对所采集的运动参数进行融合处理, 以获得被跟踪物相应节点的运动信息, 并将运动 信息通过数据接口发送至相应的蓝牙从机 ; 蓝牙 从机, 用于将所接收的运动信息转换为蓝牙信号, 并利用蓝牙协议将蓝牙信号发送至相应的蓝牙主 机 ; 上位机, 用于从多个蓝牙主机收集并汇总各 个节点。</p> <p >3、所对应的蓝牙信号, 以生成被跟踪物的运 动信息。 实施本发明的技术方案, 满足运动跟踪系 统多节点、 高速率的要求, 而且, 扩展性和灵活性 好。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103105176 A CN 103105176 A *CN103105176A* 1/2 页 2 1. 一种基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统, 用于跟踪被跟踪物的运动, 其特征在于, 所 述被跟踪物具有多组节点, 且每组节点的节点数量最多为七个 ;。</p> <p >4、 所述运动跟踪系统包括 : 上位机、 与所述上位机连接且与每组节点对应的多个蓝牙主机、 及设置在每个节点上的感 测装置, 所述感测装置包括 : MEMS 传感单元、 数据处理单元、 数据接口及蓝牙从机, 其中, 所述 MEMS 传感单元, 用于每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数 ; 所述数据处理单元, 用于对所采集的运动参数进行融合处理, 以获得被跟踪物相应节 点的运动信息, 并将所述运动信息通过所述数据接口发送至相应的蓝牙从机 ; 所述蓝牙从机, 用于将所接收的运动信息转换为蓝牙信号, 并利用蓝牙协议将所述蓝 牙信号发送至相应的蓝牙主机 ; 所述上位机, 用于从所述多个蓝牙主机收。</p> <p >5、集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号, 以生 成被跟踪物的运动信息。 2. 根据权利要求 1 所述的基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统, 其特征在于, 所述上位机 还用于通过相应的蓝牙主机将相应的指令信号发送至相应的蓝牙从机。 3.根据权利要求1所述的基于MEMS传感器的运动跟踪系统, 其特征在于, 所述MEMS传 感器包括分别设置在 X、 Y、 Z 每个轴上的加速度计、 陀螺仪和磁传感器, 且 X、 Y、 Z 三轴正交 设置 ; 所述感测装置还包括校正单元, 所述校正单元用于对每个轴上的磁传感器所采集的 数据进行校正处理, 并将校正后的数据送入相应的数据处理单元。 4. 根据权利要求 3 所述。</p> <p >6、的基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统, 其特征在于, 所述校正单 元通过球形约束算法对磁传感器所采集的数据进行校正处理。 5. 根据权利要求 3 所述的基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统, 其特征在于, 所述感测装 置还包括 : 存储单元, 用于以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。 6. 根据权利要求 1 所述的基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统, 其特征在于, 所述感测 装置还包括供电电源和电压管理单元, 且所述供电电源通过所述电压管理单元为所述 MEMS 传感单元、 数据处理单元、 蓝牙从机供电。 7. 根据权利要求 6 所述的基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统, 其特。</p> <p >7、征在于, 所述感测装 置还包括充电接口和充电管理单元, 且所述充电接口用于从市电取电, 并通过所述充电管 理单元为所述供电电源充电。 8. 一种基于 MEMS 传感器的运动跟踪方法, 其特征在于, 包括 : A. 设置在被跟踪物的每个节点上的 MEMS 传感单元每隔预设时间采集一次被跟踪物相 应节点的运动参数 ; B. 设置在被跟踪物的每个节点上的数据处理单元对所采集的运动参数进行融合处理, 以获得被跟踪物相应节点的运动信息, 并将所述运动信息通过所述数据接口发送至相应的 蓝牙从机 ; C. 设置在被跟踪物的每个节点上的蓝牙从机将所接收的运动信息转换为蓝牙信号, 并 利用蓝牙协议将所述蓝牙信号。</p> <p >8、发送至相应的蓝牙主机 ; D. 上位机从各个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号, 以生成被跟踪物 的运动信息。 9.根据权利要求8所述的基于MEMS传感器的运动跟踪方法, 其特征在于, 所述MEMS传 权 利 要 求 书 CN 103105176 A 2 2/2 页 3 感器包括分别设置在 X、 Y、 Z 每个轴上的加速度计、 陀螺仪和磁传感器, 且 X、 Y、 Z 三轴正交 设置 ; 在所述步骤 A 和步骤 B 之间, 还包括 : E. 设置在被跟踪物的每个节点上的校正单元对每个轴上的磁传感器所采集的数据进 行校正处理, 并将校正后的数据送入数据处理单元。 10.根据权利要求9所述的。</p> <p >9、基于MEMS传感器的运动跟踪方法, 其特征在于, 在所述步骤 A 和步骤 E 之间, 还包括 : 以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。 权 利 要 求 书 CN 103105176 A 3 1/6 页 4 一种基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及运动跟踪领域, 尤其涉及一种基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统及方 法。 背景技术 0002 运动跟踪系统是记录物体 (如人体等) 运动姿态的装置。其主要由以下两种形式实 现 : 第一种是通过外部传感设备, 比如电磁学、 声学或光学设备。以外部设备为主的跟踪系 统主要由测量信号源、 信号反馈装置和接收。</p> <p >10、传感器组成, 通过由被测物反馈信号源产生的 特定测量信号, 接收传感器利用其中携带的信息还原被测物运动过程。第二种是通过附着 于被跟踪物的 MEMS(Micro Electro Mechanical System, 微机电系统) 传感器采集数据, 由一定的算法直接计算被测物运动状态。以上两种方式中, 外部传感方式, 如光学测量, 具 有精度高、 分辨度高的特点, 但是成本高, 安装难度大, 前期准备时间长 ; 而采用 MEMS 传感 器的方法具有更少的限制与更强的环境适应性。 0003 目前应用于三维空间运动跟踪系统的比较成熟的 MEMS 解决方案是 : 使用三轴加 速度计、 三轴陀螺仪和三轴。</p> <p >11、磁传感器共九维数据, 利用一定的数据融合算法得到被测物姿 态的三维旋转角和三维空间位移。由于每个跟踪节点需要传输的数据除这些信息之外, 一 般还针对各种具体应用附带了自定义信息, 并且为满足系统实时性需求, 数据更新频率一 般在 50Hz 以上, 因此信息传输量大 ; 同时节点数量必须满足应用的要求 (一般人体全身跟 踪需要 17 个以上的节点) 。传统传感器网络低功耗低速率脉冲式的无线通信协议并不适合 直接应用在这类系统中, 因为 : 现有系统一般先将各节点统一或部分使用电缆有线连接到 某些运动的嵌入式系统上, 再使用无线通信方式将汇总的数据传输至上位机。但这些方法 由于节点数量与位置受到限。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>12、制, 功耗也受到限制, 从而影响了基于 MEMS 传感器的运动跟踪 系统的可扩展性和灵活性。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问题在于, 针对现有技术的上述基于 MEMS 传感器的运动跟 踪系统的可扩展性和灵活性差的缺陷, 提供一种可扩展性和灵活性好的基于 MEMS 传感器 的运动跟踪系统。 0005 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 : 构造一种基于 MEMS 传感器的运动 跟踪系统, 用于跟踪被跟踪物的运动, 所述被跟踪物具有多组节点, 且每组节点的节点数量 最多为七个 ; 所述运动跟踪系统包括 : 上位机、 与所述上位机连接且与每组节点对应的多 个蓝牙主机、 及设置在每个节点。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>13、上的感测装置, 所述感测装置包括 : MEMS 传感单元、 数据处 理单元、 数据接口及蓝牙从机, 其中, 0006 所述 MEMS 传感单元, 用于每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数 ; 0007 所述数据处理单元, 用于对所采集的运动参数进行融合处理, 以获得被跟踪物相 应节点的运动信息, 并将所述运动信息通过所述数据接口发送至相应的蓝牙从机 ; 说 明 书 CN 103105176 A 4 2/6 页 5 0008 所述蓝牙从机, 用于将所接收的运动信息转换为蓝牙信号, 并利用蓝牙协议将所 述蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机 ; 0009 所述上位机, 用于从所述多个蓝牙主机收集。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>14、并汇总各个节点所对应的蓝牙信号, 以生成被跟踪物的运动信息。 0010 在本发明所述的基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统中, 所述上位机还用于通过相 应的蓝牙主机将相应的指令信号发送至相应的蓝牙从机。 0011 在本发明所述的基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统中, 所述 MEMS 传感器包括分别 设置在 X、 Y、 Z 每个轴上的加速度计、 陀螺仪和磁传感器, 且 X、 Y、 Z 三轴正交设置 ; 所述感测 装置还包括校正单元, 所述校正单元用于对每个轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处 理, 并将校正后的数据送入相应的数据处理单元。 0012 在本发明所述的基于 MEMS 传感器的运动跟。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>15、踪系统中, 所述校正单元通过球形约 束算法对磁传感器所采集的数据进行校正处理。 0013 在本发明所述的基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统中, 所述感测装置还包括 : 0014 存储单元, 用于以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。 0015 在本发明所述的基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统中, 所述感测装置还包括供电 电源和电压管理单元, 且所述供电电源通过所述电压管理单元为所述 MEMS 传感单元、 数据 处理单元、 蓝牙从机供电。 0016 在本发明所述的基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统中, 所述感测装置还包括充电 接口和充电管理单元, 且所述充电接口用于从市电取电, 。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>16、并通过所述充电管理单元为所述 供电电源充电。 0017 本发明还构造一种基于 MEMS 传感器的运动跟踪方法, 包括 : 0018 A. 设置在被跟踪物的每个节点上的 MEMS 传感单元每隔预设时间采集一次被跟踪 物相应节点的运动参数 ; 0019 B. 设置在被跟踪物的每个节点上的数据处理单元对所采集的运动参数进行融合 处理, 以获得被跟踪物相应节点的运动信息, 并将所述运动信息通过所述数据接口发送至 相应的蓝牙从机 ; 0020 C. 设置在被跟踪物的每个节点上的蓝牙从机将所接收的运动信息转换为蓝牙信 号, 并利用蓝牙协议将所述蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机 ; 0021 D. 上位机从各个。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>17、蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号, 以生成被跟踪 物的运动信息。 0022 在本发明所述的基于 MEMS 传感器的运动跟踪方法中, 所述 MEMS 传感器包括分别 设置在 X、 Y、 Z 每个轴上的加速度计、 陀螺仪和磁传感器, 且 X、 Y、 Z 三轴正交设置 ; 0023 在所述步骤 A 和步骤 B 之间, 还包括 : 0024 E. 设置在被跟踪物的每个节点上的校正单元对每个轴上的磁传感器所采集的数 据进行校正处理, 并将校正后的数据送入数据处理单元。 0025 在本发明所述的基于 MEMS 传感器的运动跟踪方法中, 在所述步骤 A 和步骤 E 之 间, 还包括 : 0026 。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>18、以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。 0027 实施本发明的技术方案, 相较现有的运动跟踪系统, 其优点在于 : 由于单一蓝牙子 说 明 书 CN 103105176 A 5 3/6 页 6 网最多仅需承受 7 个节点的数据通信压力, 为通信速率留出足够余量, 同时能够满足运动 跟踪系统多节点、 高速率的要求。 而且, 使用了蓝牙协议无线组网, 使节点完全物理独立, 当 节点数量大幅度增加时无需技术投入, 直接增加与上位机连接的蓝牙主机数即可, 理论上 无最大节点数限制, 方便适应不同的跟踪对象, 因此, 可根据应用灵活调整蓝牙子网数量, 扩展性和灵活性好。 0028 同时, 通过。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>19、对磁传感器所采集的数据进行校正, 抑制了环境中的硬铁干扰, 特别是 电池、 无线信号等产生的影响, 提高了跟踪精度。 附图说明 0029 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明, 附图中 : 0030 图 1 是本发明基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统实施例一的逻辑图 ; 0031 图 2 是本发明基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统中感测装置实施例一的逻辑图 ; 0032 图 3 是本发明基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统中感测装置的 MEMS 传感器实施例 一的逻辑图 ; 0033 图 4 是本发明基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统中感测装置实施例二的逻辑图 ; 0034 图 5。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>20、 是本发明磁传感器所采集的磁数据队列存储的示意图 ; 0035 图 6 是本发明基于 MEMS 传感器的运动跟踪方法实施例一的流程图 ; 0036 图 7 是本发明基于 MEMS 传感器的运动跟踪方法实施例二的流程图。 具体实施方式 0037 图 1 是本发明基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统实施例一的逻辑图, 该运动跟踪 系统用于跟踪被跟踪物 (例如人体) 的运动, 该被跟踪物具有多组节点, 且每组节点的节点 数量最多为七个, 例如, 第一组节点分别为节点 1.1、 1.2、 1.7, 第二组节点分别为节点 2.1、 2.2、 2.7, 第三组节点分别为节点 n.1、 n.2、 n.7。还。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>21、应说明的是, 节点的分组 是人为操作, 与节点的自然属性无关。且该运动跟踪系统包括 : 上位机 14、 与每组节点对应 的多个蓝牙主机, 例如与第一组节点对应的蓝牙主机 13、 及设置在每个节点上的感测装置, 例如设置在节点1.1上的感测装置11。 其中, 多个蓝牙主机分别与上位机14连接, 而且, 结 合图 2 所示的感测装置实施例一的逻辑图, 该感测装置, 例如感测装置 11, 包括 : MEMS 传感 单元 111、 数据处理单元 112、 数据接口 113 和蓝牙从机 114, 而且, MEMS 传感单元 111 用于 每隔预设时间采集一次被跟踪物节点 1.1 的运动参数, 为了保证跟。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>22、踪系统的动态性能, 这 个间隔时间通常小于 20ms ; 数据处理单元 112 用于对所采集的运动参数进行融合处理, 例 如, 通过扩展的卡尔曼滤波器进行滤波, 以获得被跟踪物节点 1.1 的运动信息, 并将所述运 动信息通过数据接口 113 发送至蓝牙从机 114, 例如, 将运动信息和附加信息打包, 以数据 帧的格式通过数据接口送至蓝牙从机 ; 蓝牙从机 114 用于将所接收的运动信息转换为蓝牙 信号12, 并利用蓝牙协议将蓝牙信号12发送至蓝牙主机13。 蓝牙主机13一般是上位机 (中 央计算机) 蓝牙适配器, 通过接收各节点蓝牙从机发回的数据, 将数据传输给上位机进行进 一步处理。上位。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>23、机 14 用于从多个蓝牙主机, 例如蓝牙主机 13, 收集并汇总各个节点所对应 的蓝牙信号, 以生成被跟踪物的运动信息。另外, 上位机 14 还用于通过相应的蓝牙主机, 例 如蓝牙主机 13, 将相应的指令信号发送至相应的蓝牙从机, 例如蓝牙从机 114。 说 明 书 CN 103105176 A 6 4/6 页 7 0038 在本实施例的跟踪系统中, 使用蓝牙协议进行无线组网, 虽然一个蓝牙主机仅支 持最多 7 个蓝牙从机接入, 但具备较高通信速率、 较低实现成本、 较远通信距离 (蓝牙信号 功率 Class1 等级下可达 100m 以上) 和合适的功率消耗等优势。如图 1 所示, 在一个蓝。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>24、牙子 网 15 内, 节点 11 的感测装置将通过传感、 计算及打包的数据帧通过蓝牙信号 12 发送至蓝 牙主机 13, 再由蓝牙主机 13 将本子网节点的数据送至上位机 14 进行进一步处理。由于各 节点与上位机之间采用蓝牙协议通信, 各蓝牙主机最多接入 7 个节点, 而运动跟踪系统节 点数量一般为该值二至三倍, 例如 17 个。而且, 本发明还可使用额外的蓝牙主机进行扩展, 由于上位机 14 连接蓝牙主机的数量理论上不受限制, 扩展数量并不提高技术难度, 因此利 用多个蓝牙主机提供各自的蓝牙子网, 可以成倍数扩大节点数量。 0039 该种方式的优点在于, 由于单一蓝牙子网最多仅需承受 7 。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>25、个节点的数据通信压 力, 为通信速率留出足够余量, 同时能够满足运动跟踪系统多节点、 高速率的要求, 且系统 可根据应用灵活调整蓝牙子网数量。 0040 图 3 是发明基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统中感测装置的 MEMS 传感器实施例 一的逻辑图, 该 MEMS 传感器包括分别设置在 X、 Y、 Z 每个轴上的加速度计 411、 412、 413、 陀 螺仪 421、 422、 423 和磁传感器 431、 432、 433, 且 X、 Y、 Z 三轴正交设置。图 4 是本发明基于 MEMS 传感器的运动跟踪系统中感测装置实施例二的逻辑图, 该实施例的感测装置相比图 2 所示的实施例, 。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>26、所不同的仅是 : 该感测装置还包括校正单元 115、 存储单元 116、 电压管理单 元 117、 供电电源 118、 充电接口 119 和充电管理单元 110。其中, 校正单元 115 用于对每个 轴上的磁传感器所采集的数据进行校正处理, 并将校正后的数据送入数据处理单元 112, 也 即, MEMS 传感器 111 采集到原始数据后, 一部分 (加速度数据、 角度数据) 直接送入数据处理 单元 112, 另一部分 (磁数据) 先送入校正单元 115 进行校正处理, 主要是抑制磁传感器数据 受到的硬铁 (例如电池等) 干扰, 校正处理后再送入数据处理单元112。 存储单元116用于以 队列形。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>27、式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据, 结合图 5, 在运动跟踪进行时, 每隔一 段时间间隔采集一次磁传感器的原始数据, 以队列形式动态代替存储器中最旧的数据。当 跟踪开始时由于磁传感器三维空间进行自由旋转, 因此队列内填充有初始数据且队列指针 指向第一个元素, 即认为该元素最旧。 当开始新一轮数据采集时, 队列指针指向的元素被清 除出队, 新数据被放置到该位置, 并将指针向后移动一位, 完成一次数据替换。当指针到达 队列末尾时, 向后移动一位的操作改为指向队列头 (即编号 1 的单元) 。数据替换完成之后 校正单元 115 可利用这些值对磁传感器数据进行校正。另外, 每个节点的感测装置都有。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>28、独 立的电源, 例如, 供电电源 118 可以是碱性电池或锂电池。当使用可更换的碱性电池时, 可 省略充电接口 119 与充电管理单元 110 ; 当使用锂电池作为供电电源 118 时, 充电接口 119 从市电取电, 并通过充电管理单元 110 为锂电池 (供电电源 118) 充电, 充电管理单元 110 对 锂电池进行充电控制, 减少其充电时间并保证其寿命。 供电电源118通过电压管理单元117 保证节点其余部分正常工作, 例如, 供电电源 118 通过电压管理单元 117 为 MEMS 传感单元 111、 数据处理单元 112、 蓝牙从机 114 供电。 0041 在本发明基于MEMS传。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>29、感器的运动跟踪系统的一个优选实施例中, 校正单元115利 用地磁场球形约束对原始磁数据进行校正, 具体为 : X、 Y、 Z 三轴相互正交的磁传感器在不 受干扰的情况下, 其三个方向磁场强度矢量与地磁强度 BM的满足 : 说 明 书 CN 103105176 A 7 5/6 页 8 0042 0043 而当磁传感器受到硬铁干扰时, 其三个方向的输出值应以下式变化 : 0044 0045 其中, * 可以是 X、 Y、 Z 中的任何方向, 表示不受扰情况下该方向上的对应的标量 值, 且对应坐标轴方向, 有正负之分, 为受扰时磁传感器的输出数值, f*为标度因子误差 值, B*为零点偏移。f*与 。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>30、B*为本发明动态解算的校正参数。 0046 由上述两式可以得到受扰情况下磁传感器输出值与地磁强度的关系 : 0047 0048 将该式进一步转化为 : 0049 0050 该式等号左边与等号右边的行向量可由受扰测量值表示, 列向量可由待测校正量 和地磁场强度常数表示, 其中 : 0051 0052 0053 0054 k4=(Bx)2+k2(By)2+k3(Bz)2-k1 0055 在运动跟踪开始时节点在三维空间进行自由旋转获得一定数量的原始磁强数据 并存入存储器。 在运动跟踪进行时, 每隔一段时间间隔采集一次原始数据, 以队列形式动态 代替存储器中最旧的数据。 因此, 在运动跟踪的过程中, 。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>31、磁传感器数据存储器中始终保存了 指定数量的原始测量值。 将这些值分别代入上文得到的由矩阵表示的受扰情况下磁传感器 输出值与地磁强度的第一个关系式, 可以得到多个方程式, 使用最小二乘法解矛盾方程组 可推得等号右边列向量的最小均方误差估计, 从而进一步利用第二个关系式完全解算出对 应轴的 f* 与 B*的估计值。然后传感器校正单元 240 利用这些参数以及不受扰的标准值 与受扰输出值之间的函数关系校正当前磁传感器数据, 实现动态校正。 0056 图6是本发明基于MEMS传感器的运动跟踪方法实施例一的流程图, 该运动跟踪方 法包括 : 0057 A. 设置在被跟踪物的每个节点上的 MEMS 传感单。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>32、元每隔预设时间采集一次被跟踪 物相应节点的运动参数 ; 0058 B. 设置在被跟踪物的每个节点上的数据处理单元对所采集的运动参数进行融合 说 明 书 CN 103105176 A 8 6/6 页 9 处理, 以获得被跟踪物相应节点的运动信息, 并将所述运动信息通过所述数据接口发送至 相应的蓝牙从机 ; 0059 C. 设置在被跟踪物的每个节点上的蓝牙从机将所接收的运动信息转换为蓝牙信 号, 并利用蓝牙协议将所述蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机 ; 0060 D. 上位机从各个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号, 以生成被跟踪 物的运动信息。 0061 图7是本发明基于MEMS传感器的运动。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>33、跟踪方法实施例二的流程图, 该实施例的运 动跟踪方法相比图 6 所示的实施例, 在步骤 A 和步骤 B 之间, 还包括 : 0062 E. 设置在被跟踪物的每个节点上的校正单元对每个轴上的磁传感器所采集的数 据进行校正处理, 并将校正后的数据送入数据处理单元。 0063 在本发明基于MEMS传感器的运动跟踪方法的一个优选实施例中, 在步骤A和步骤 E 之间, 还包括 : 以队列形式动态存储相应的磁传感器每次采集的数据。 0064 以上所述仅为本发明的优选实施例而已, 并不用于限制本发明, 对于本领域的技 术人员来说, 本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内, 所作的任何修 改、 等同替换、 改进等, 均应包含在本发明的权利要求范围之内。 说 明 书 CN 103105176 A 9 1/4 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103105176 A 10 2/4 页 11 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103105176 A 11 3/4 页 12 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103105176 A 12 4/4 页 13 图 7 说 明 书 附 图 CN 103105176 A 13 。</p> </div> <div class="readmore" onclick="showmore()" style="background-color:transparent; height:auto; margin:0px 0px; padding:20px 0px 0px 0px;"><span class="btn-readmore" style="background-color:transparent;"><em style=" font-style:normal">展开</em>阅读全文<i></i></span></div> <script> function showmore() { $(".readmore").hide(); 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