專利名稱：一種體感鞋及其人機(jī)交互方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于傳感器與電子通訊技術(shù)的新型體感鞋子及其在人機(jī)交互應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)方法，屬于電子信息、自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的鞋子僅僅作為服飾的一個(gè)品種，大大制約了其在社會(huì)生活中的應(yīng)用范圍和前景。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，體感游戲與互動(dòng)應(yīng)用方興未艾。目前國(guó)內(nèi)外較為著名的體感應(yīng)用有聯(lián)想公司的3D體感控制器鼠標(biāo),任天堂的wii游戲主機(jī),微軟的XBOX Kinect等。而這些應(yīng)用并沒有和現(xiàn)實(shí)中真正的鞋子聯(lián)系在一起，目前僅有蘋果與NIKE合作的 nike+是與鞋子相關(guān)的，但是Nike+的傳感器只能計(jì)算步數(shù)，配合蘋果公司的軟件平臺(tái)以顯示戶外運(yùn)動(dòng)時(shí)人體所運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、距離、速度與消耗的卡路里等，產(chǎn)品定位于健身的輔助工具。而在室內(nèi)活動(dòng)以及家庭娛樂(lè)生活中，目前還沒有一款可以將傳感技術(shù)以及無(wú)線通訊技術(shù)相結(jié)合的體感鞋子，用以代替游戲控制器或者傳統(tǒng)的用于人機(jī)交互的鍵盤和鼠標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)人機(jī)交互手段的鞋，定位于一種基于傳感器與無(wú)線通訊技術(shù)的新型體感鞋，這種體感鞋將通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)與PC、手機(jī)、電視、平板電腦等人機(jī)交互終端設(shè)備相連接，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人機(jī)交互方式，尤其在體感應(yīng)用領(lǐng)域，彌補(bǔ)了體感領(lǐng)域沒有體感鞋的空白，并給出了相應(yīng)的人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明提供的體感鞋，能夠檢測(cè)人雙腳在三維空間內(nèi)的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)信息，通過(guò)無(wú)線傳輸和信息的二次處理，可用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤等操作模式，尤其對(duì)于各類休閑娛樂(lè)的游戲應(yīng)用，提供一種新穎的控制方式，將人機(jī)交互操作與運(yùn)動(dòng)有機(jī)結(jié)合。特別地，本發(fā)明中為每個(gè)用戶雙腳分別安裝有差別的無(wú)線傳感綜合模塊，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于區(qū)別傳輸腳步移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)信息；并在人機(jī)交互的終端設(shè)備上，基于有限狀態(tài)機(jī)組的方式，實(shí)現(xiàn)了雙腳運(yùn)動(dòng)信息與人機(jī)交互控制指令的映射，用以更好的控制應(yīng)用程序執(zhí)行相應(yīng)的指令；并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了多個(gè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的綜合控制方法，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行人機(jī)交互。本發(fā)明為傳統(tǒng)的制鞋業(yè)提供一種新型的信息科技類產(chǎn)品，通過(guò)該產(chǎn)品將人體雙腳運(yùn)動(dòng)與人機(jī)交互系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，帶來(lái)了更好的人機(jī)交互體驗(yàn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多人互連互動(dòng)的一種控制方法。所述的有限狀態(tài)機(jī)組是由兩個(gè)有限狀態(tài)機(jī)組成的，可以反映更多的狀態(tài)，每個(gè)有限狀態(tài)機(jī)分別對(duì)應(yīng)每只鞋上安裝的無(wú)線傳感綜合模塊，因此每個(gè)有限狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)功能相同，只是同時(shí)間可能有不同的狀態(tài)對(duì)應(yīng)每只鞋(如左右兩雙鞋)的特定運(yùn)動(dòng)信息。本發(fā)明所述的用于人機(jī)交互的體感鞋主要包括一個(gè)采用無(wú)線技術(shù)的上位機(jī)接收模塊和設(shè)置在一雙鞋上的無(wú)線傳感綜合模塊，所述的無(wú)線傳感綜合模塊用于采集用戶腳步移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、跳躍等運(yùn)動(dòng)信息，并將運(yùn)動(dòng)信息以無(wú)線方式傳輸給上位機(jī)接收模塊。所述的無(wú)線傳感綜合模塊包括加速度傳感器、角度傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、中央處理單元、無(wú)線傳輸模塊和電源單元，通過(guò)鞋底的卡槽進(jìn)行安裝設(shè)置。所述的上位機(jī)接收模塊包括無(wú)線傳輸模塊、USB/UART接口轉(zhuǎn)換芯片、電源芯片以及USB接口，所述的上位機(jī)接收模塊中的無(wú)線傳輸模塊接收無(wú)線傳感綜合模塊中的無(wú)線傳輸模塊發(fā)送的運(yùn)動(dòng)信息，并通過(guò)USB/UART接口轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為可以通過(guò)USB接口輸出的形式，所 述的USB接口直接與終端設(shè)備連接，可實(shí)現(xiàn)即插即用。本發(fā)明中將設(shè)置有卡槽的鞋作為存放無(wú)線傳感綜合模塊的載體，用戶雙腳運(yùn)動(dòng)信息通過(guò)鞋上的無(wú)線傳感綜合模塊采集處理后傳輸。在設(shè)計(jì)上，左右腳每只鞋子底部有卡槽，便于無(wú)線傳感綜合模塊的安裝和固定。即鞋子本身與無(wú)線傳感綜合模塊可分離，目的在于便于鞋子的清洗，而不會(huì)損壞電子設(shè)備；此外，便于給無(wú)線傳感綜合模塊充電。無(wú)線傳感綜合模塊作為采集用戶兩只腳的運(yùn)動(dòng)信息的核心模塊，其包括以下關(guān)鍵子模塊(I)基于三軸加速度計(jì)的三自由度的加速度傳感器；(2)基于數(shù)字陀螺的旋轉(zhuǎn)角度傳感器；(3)基于單片機(jī)的中央處理單元；(4)基于無(wú)線傳輸模塊的信號(hào)發(fā)送和接收單元，其中的發(fā)送單元設(shè)置在無(wú)線傳感綜合模塊上用于發(fā)送運(yùn)動(dòng)信息，接收單元設(shè)置的上位機(jī)接收模塊上用于接收運(yùn)動(dòng)信息，這樣就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感綜合模塊與上位機(jī)接收模塊之間的通訊；(5)獨(dú)立供電的可充放電源單元。無(wú)線傳感綜合模塊用于采集用戶的雙腳在空間內(nèi)的三個(gè)自由度上的位移信息，以及轉(zhuǎn)動(dòng)信息，然后通過(guò)以單片機(jī)作為核心的中央處理單元，最后將經(jīng)過(guò)處理的信息利用無(wú)線傳輸模塊以無(wú)線信號(hào)的方式發(fā)送出去給上位機(jī)接收模塊。中央處理單元選用自帶高精度AD采集以及看門狗的單片機(jī)芯片。AD采集用于獲得經(jīng)過(guò)調(diào)理的加速度傳感器的電壓輸出，并還原為加速度信息，經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分得到速度信息，經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的第二次積分得到位移數(shù)據(jù)。看門狗用于當(dāng)處理器程序跑飛或者處于死機(jī)狀態(tài)時(shí)，看門狗將從硬件上對(duì)處理器進(jìn)行強(qiáng)制復(fù)位，使處理器重新進(jìn)入正常工作模式。其中無(wú)線傳感綜合模塊內(nèi)部設(shè)置有ROM用于存儲(chǔ)出廠時(shí)的唯一標(biāo)識(shí)SN號(hào)和左右鞋標(biāo)識(shí)ID號(hào)，即每一塊成品的模塊都是依靠燒寫進(jìn)ROM的不同信息進(jìn)行區(qū)分的，類似于產(chǎn)品的出廠序列號(hào)。上位機(jī)接收模塊，作為接收和處理鞋子中無(wú)線傳感綜合模塊所發(fā)送運(yùn)動(dòng)信息的模塊，其核心在于通過(guò)無(wú)線通訊協(xié)議，與無(wú)線傳感綜合模塊建立連接并接收相關(guān)數(shù)據(jù)，提供用戶左右鞋的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和跳躍等運(yùn)動(dòng)信息，以備各類應(yīng)用平臺(tái)使用，例如Windows系統(tǒng)，Andriod系統(tǒng)，蘋果IOS系統(tǒng)等等。上位機(jī)接收模塊將集成無(wú)線傳輸模塊，并采用USB供電的即插即用方式，以適應(yīng)那些本身不帶無(wú)線傳輸模塊接收功能的硬件系統(tǒng)，如普通臺(tái)式機(jī)、筆記本等，同時(shí)對(duì)應(yīng)Windows等平臺(tái)?；谏鲜鰩в袩o(wú)線傳感綜合模塊的體感鞋，本發(fā)明還提供了一種人機(jī)交互方法。即在每個(gè)通訊周期中，上位機(jī)接收模塊將每個(gè)用戶的雙腳運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，Da(AXa，AYa, Aza,0A，SNa, IDa)，Db ( Axb, AyB，Azb, 0 b，SNb, IDb)，進(jìn)行一個(gè)針對(duì)有限狀態(tài)機(jī)組合的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將原始的運(yùn)動(dòng)信息變?yōu)閮蓚€(gè)或多個(gè)有限狀態(tài)機(jī)的組合，表示用戶的雙腳移動(dòng)狀態(tài)。這里以單個(gè)用戶的雙腳運(yùn)動(dòng)信息為例進(jìn)行說(shuō)明MA用以表示當(dāng)前左腳運(yùn)動(dòng)信息的狀態(tài)機(jī)，MB用以表示右腳運(yùn)動(dòng)信息的狀態(tài)機(jī)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為M(mx, my, mz, 0 z),其中mx, my的取值有三個(gè)，分別為-1、0和I, mx = -I表示沿X軸負(fù)方向移動(dòng)了，mx = I表示沿x軸負(fù)方向移動(dòng)了，mx = 0表示沒有移動(dòng)，my的取值與mx有相同含義；而mz的取值有兩個(gè)，分別為0和1，我們認(rèn)定用戶是無(wú)法運(yùn)動(dòng)到地平面以下的，因此mz沒有負(fù)值；ez取值為
，表示用戶的腳步旋轉(zhuǎn)角度；左腳運(yùn)動(dòng)信息狀態(tài)機(jī)與右腳運(yùn)動(dòng)信息狀態(tài)機(jī)
，磯，皿5，&)，組成了一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)組。通過(guò)狀態(tài)機(jī)MA，MB的組合，即可進(jìn)一步進(jìn)行人機(jī)交互的具體操作與人體的腳步動(dòng)作的映射，最終實(shí)現(xiàn)用人體雙腳的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行人機(jī)交互。本發(fā)明特別為多用戶同時(shí)進(jìn)行人交互應(yīng)用的情況，設(shè)計(jì)一個(gè)用來(lái)存儲(chǔ)多個(gè)用戶腳步移動(dòng)信息的動(dòng)態(tài)鏈表，鏈表由上位機(jī)搜索匹配時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)創(chuàng)建。加速度傳感器和角度傳感器的數(shù)據(jù)包中含有的SN這個(gè)唯一標(biāo)識(shí)變量，將用以判斷是否增加一個(gè)新的鏈表節(jié)點(diǎn)。每個(gè)鏈表節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含以下信息一個(gè)類型為鏈表節(jié)點(diǎn)的指針，用以指向下一個(gè)鏈表節(jié)點(diǎn)；一組運(yùn)動(dòng)信息狀態(tài)機(jī)MA和MB ;唯一標(biāo)識(shí)變量SN。本發(fā)明為第三方開發(fā)人員提供可供調(diào)用的API函數(shù)，每次調(diào)用函數(shù)返回一個(gè)數(shù)據(jù)鏈表的頭指針，鏈表中每個(gè)節(jié)點(diǎn)則是存儲(chǔ)了一組運(yùn)動(dòng)信息狀態(tài)機(jī)MA和MB以及相應(yīng)標(biāo)識(shí)SN，第三方開發(fā)者可通過(guò)遍歷鏈表的方式獲取連入上位機(jī)端的全部用戶的運(yùn)動(dòng)信息。此外，第三方開發(fā)人員可以通過(guò)具體的人機(jī)交互的應(yīng)用實(shí)例的要求，實(shí)現(xiàn)一個(gè)狀態(tài)機(jī)組與具體控制指令的映射，用于控制應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)具體的人機(jī)交互操作。本發(fā)明還提供一種基于體感鞋的人機(jī)交互方法，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的體感鞋的數(shù)據(jù) 采集和交互，具體包括以下步驟(I)啟動(dòng)無(wú)線傳感綜合模塊的開關(guān)，用以開啟電源，設(shè)備初始化；(2)開啟上位機(jī)接收模塊，進(jìn)行無(wú)線搜索，匹配周圍存在的無(wú)線傳感綜合模塊(子節(jié)點(diǎn))，開始自組網(wǎng)工作。若搜索到符合協(xié)議的無(wú)線傳感綜合模塊，則自動(dòng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)子節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)入網(wǎng)，并建立通訊連接；如果超過(guò)閾值時(shí)間T秒(可設(shè))，仍然沒有搜索到可匹配的無(wú)線傳感綜合模塊，則自動(dòng)轉(zhuǎn)入連接失敗處理程序。搜索過(guò)程中，上位機(jī)接收模塊通過(guò)子節(jié)點(diǎn)的SN號(hào)與ID號(hào)，進(jìn)行腳部運(yùn)動(dòng)信息動(dòng)態(tài)鏈表的創(chuàng)建；(3)自組網(wǎng)成功并且通訊建立完畢后，以tms為通訊周期，上位機(jī)接收模塊按通訊周期發(fā)送運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)采集指令，中央處理單元開始采集腳步位移數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)角度信息。(4)中央處理單元對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，還原出位移信息，并與角度信息一起作為運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于緩存中；左腳和右腳的三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的加速度，分別記作ax，ay，az，利用兩次積分運(yùn)算獲得XYZ三個(gè)軸向上的位移Ax，Ay, A z ;利用數(shù)字陀螺，檢測(cè)出用戶雙腳分別繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，記作0。(5)中央處理單元將處理后的運(yùn)動(dòng)信息傳遞給無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給上位機(jī)接收模塊。(6)上位機(jī)接收模塊按照設(shè)定的通訊周期，定時(shí)接收左右腳無(wú)線傳輸模塊發(fā)送的運(yùn)動(dòng)信息，即接收下位機(jī)的無(wú)線傳感綜合模塊傳輸過(guò)來(lái)的位移、角度等數(shù)據(jù)。下位機(jī)發(fā)送的左右腳運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)是包含了腳步移動(dòng)方向、移動(dòng)位移大小、轉(zhuǎn)動(dòng)角度、跳躍高度等在內(nèi)的一個(gè)固定數(shù)組，即前述的 Da (Axa, AyA, Aza, 0 A, SNa, IDa) , Db ( Axb, AyB, Azb, 0 B, SNb,IDb)。所有這些數(shù)據(jù)將在上位機(jī)接收模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)信息與人體運(yùn)動(dòng)信息狀態(tài)機(jī)MA，MB之間的映射轉(zhuǎn)換。并按照SN號(hào)的標(biāo)識(shí)，存入運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)鏈表，以備后續(xù)調(diào)用操作使用。(7)如果上位機(jī)接收模塊通過(guò)直接控制發(fā)送結(jié)束指令，則采集與通訊工作流停止，并退出。此外，本發(fā)明中的無(wú)線傳感綜合模塊中的電池為內(nèi)置鋰電池，設(shè)計(jì)有充電接口和相應(yīng)的充電器。用戶在將無(wú)線傳感綜合模塊從體感鞋中取出后，可以很方便的對(duì)其進(jìn)行充電。且無(wú)線傳感綜合模塊帶有按鍵式開關(guān)，當(dāng)用戶開啟通訊模式時(shí)，若超過(guò)一定時(shí)間Tend(可設(shè))沒有搜索到無(wú)線通訊信號(hào)，則中央處理單元中的單片機(jī)將控制整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)斷電，以節(jié)省電力消耗；并且在器件選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面注意了低功耗設(shè)計(jì)，盡可能延長(zhǎng)一次充電后的使用時(shí)間，提供更好的用戶體驗(yàn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于I、在普通鞋子或者運(yùn)動(dòng)鞋上安裝無(wú)線傳感綜合模塊，通過(guò)左右兩只鞋子的運(yùn)動(dòng)信息來(lái)替換鍵盤和鼠標(biāo)操作，提供了一種新穎的人機(jī)交互方式。2、本發(fā)明采用加速度計(jì)和數(shù)字陀螺，制作成本低，易于大規(guī)模的生產(chǎn)實(shí)踐。3、本發(fā)明采用低功耗設(shè)計(jì)方案，選用低功耗的加速度計(jì)、數(shù)字陀螺、無(wú)線傳輸模塊等，具有功耗低，使用時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。4、本發(fā)明中通過(guò)在鞋底設(shè)置卡槽來(lái)安裝無(wú)線傳感綜合模塊，可拆卸式的結(jié)構(gòu)更加方便清洗鞋子和檢查測(cè)試及維護(hù)無(wú)線傳感綜合模塊。5、本發(fā)明中采用左右兩只鞋子或者多用戶多只鞋子的信息組合，獲得的信息更加豐富，可實(shí)現(xiàn)更多的輸入信息指令組合。


圖I是本發(fā)明提供的體感鞋的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明硬件系統(tǒng)工作流程圖；圖4是本發(fā)明中子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程圖；圖5是本發(fā)明中運(yùn)動(dòng)信息的采集和傳輸?shù)墓ぷ髁鞒虉D；圖6是本發(fā)明中上位機(jī)接收模塊硬件組成；圖7是本發(fā)明的多用戶腳步移動(dòng)信息的動(dòng)態(tài)鏈表建立流程圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供一種體感鞋，如圖I所示，所述的體感鞋I的鞋底具有凹槽，凹槽中安 裝有無(wú)線傳感綜合模塊2，結(jié)合圖2，所述的無(wú)線傳感綜合模塊2與上位機(jī)接收模塊3之間無(wú)線連接，上位機(jī)接收模塊3直接與PC機(jī)等終端設(shè)備連接。所述的無(wú)線傳感綜合模塊2與上位機(jī)接收模塊3進(jìn)行通信，上位機(jī)接收模塊3用于接收體感鞋I的運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)上位機(jī)軟件將體感鞋的運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)按一定的映射關(guān)系，轉(zhuǎn)換為預(yù)先設(shè)定的人機(jī)交互操作指令。所述的運(yùn)動(dòng)信息包括有人體的雙腳運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的體感鞋的位移、轉(zhuǎn)動(dòng)和跳躍信息，雙腳分別對(duì)應(yīng)著左右兩只體感鞋，雙腳的運(yùn)動(dòng)信息通過(guò)兩只體感鞋上的無(wú)線傳感綜合模塊進(jìn)行采集和發(fā)送。所述的映射關(guān)系是指運(yùn)動(dòng)信息與操作指令之間的映射關(guān)系，人機(jī)交互操作指令根據(jù)用戶的需要進(jìn)行設(shè)定，不同的運(yùn)動(dòng)信息，分別可以對(duì)應(yīng)擊左鍵、擊右鍵、上翻、下翻等操作指令。本發(fā)明的硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)如附圖2所示，包括無(wú)線傳感綜合模塊和上位機(jī)接收模塊，所述的無(wú)線傳感綜合模塊包含加速度傳感器、角度傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、中央處理單元、無(wú)線傳輸模塊和電源單元；所述的加速度傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)調(diào)理單元后，與角度傳感器的角度數(shù)據(jù)一起經(jīng)過(guò)中央處理器單元進(jìn)行處理，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊的發(fā)送端發(fā)送給上位機(jī)接收模塊；所述的電源單元分別連接加速度傳感器、角度傳感器、中央處理單元和無(wú)線傳輸模塊，以提供穩(wěn)定電源。所述的上位機(jī)接收模塊包含無(wú)線傳輸模塊，USB/UART接口轉(zhuǎn)換芯片、電源芯片以及USB接口，所述的無(wú)線傳輸模塊接收無(wú)線傳感綜合模塊發(fā)送的運(yùn)動(dòng)信息，并通過(guò)USB/UART接口轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為可以通過(guò)USB接口輸出的形式，所述的USB接口直接與終端設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)即插即用。所述的加速度傳感器為三軸加速度計(jì)，采用KXR94加速度計(jì)芯片，KXR94是Kionix公司生產(chǎn)的三軸加速度計(jì)。該加速度計(jì)內(nèi)部已經(jīng)對(duì)溫度和電壓波動(dòng)引起的偏差進(jìn)行了設(shè)計(jì)補(bǔ)償，因此由于電壓和溫度引起的偏差較小。該器件測(cè)量范圍為±2g，靈敏度系數(shù)為560mV/g,非線性度為0. I %，工作電壓為2. 8 3. 3V ;該加速度計(jì)功耗很低，靜態(tài)電流約I. 1mA，可以滿足整體設(shè)計(jì)的低功耗要求。KXR94三路輸出分別代表X軸輸出、Y軸輸出、Z軸輸出，提供給后續(xù)信號(hào)調(diào)理單元之后最終被中央處理單元的單片機(jī)AD采集。所述的角度傳感器采用ST公司的L3G4200D數(shù)字輸出陀螺儀。該陀螺儀具有
I2C/SPI數(shù)字輸出接口，16比特率值的數(shù)據(jù)輸出，2. 4V 3. 6V的寬電源工作電壓，嵌入式power-down和睡眠模式，高抗撞擊能力，可以滿足設(shè)計(jì)的低功耗防撞擊的要求。L3G4200D獲得的角度信號(hào)可以直接傳給中央處理單元中的單片機(jī)使用。所述的中央處理單元的核心是單片機(jī)。單片機(jī)選用PIC18F2520。該單片機(jī)具有寬工作電壓2. 0 5. 5V ;具有10通道10位AD采集；低功耗，空閑模式下典型電流僅5. 8uA ；自帶看門狗電路；支持SPI及I2C。中央處理單元通過(guò)所選單片機(jī)自帶的AD采集三軸加速度傳感器經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理單元調(diào)理的輸出信號(hào)，并直接接收數(shù)字陀螺儀的信號(hào)，通過(guò)所編寫的內(nèi)部解算程序獲得體感信息，存入緩存中；之后，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳輸至上位機(jī)接收模塊供上位機(jī)軟件使用。工作過(guò)程如附圖5所示，單片機(jī)初始化后開始采集加速度及角度信息，采集完畢后，進(jìn)入數(shù)據(jù)解算程序，即將加速度解算為鞋子的位移，將位移信息和角度信息作為運(yùn)動(dòng)信息一起存入緩沖區(qū)中，并將運(yùn)動(dòng)信息向上位機(jī)接收模塊發(fā)送。無(wú)線傳輸模塊采用ZigBee模塊。ZigBee無(wú)線通信技術(shù)是一種低速率、低功耗、低復(fù)雜度、低成本的雙向無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、安全系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能家居等領(lǐng)域。ZigBee的優(yōu)勢(shì)在于低功耗，相較藍(lán)牙或者WiFi待機(jī)時(shí)間可提高幾十倍；低成本，降低了對(duì)通訊控制器的要求，而且協(xié)議專利免費(fèi)；高容量，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以管理多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，最多可達(dá)254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；此外還具有短時(shí)延，高安全，免執(zhí)照頻段等優(yōu)勢(shì)。Zigbee模塊可以滿足設(shè)計(jì)應(yīng)用的要求。無(wú)線傳輸模塊包括發(fā)送和接收兩部分，分別安裝在無(wú)線傳感綜合模塊以及上位機(jī)接收模塊中，用于數(shù)據(jù)通信。電源單元采用鋰電池供電，并加入AMS1117-3. 3作為電源穩(wěn)壓芯片，使電源單元輸出穩(wěn)定為3. 3V，可以為單片機(jī)、三軸加速度計(jì)、數(shù)字陀螺儀及無(wú)線傳輸模塊供電。AMSl117-3. 3芯片輸入電壓范圍4. 75 12V，輸出電壓3. 267 3. 333V，輸出電流1A，工作溫度-40 125°C。電池采用可充電鋰電池，容量800 lOOOmAh，工作電壓6V，充放電次數(shù)可達(dá)500次，即使使用很頻繁也可以保證至少一年的使用時(shí)間。上位機(jī)接收模塊主要包括了無(wú)線傳輸模塊的接收部分、USB/UART接口轉(zhuǎn)換芯片、電源芯片以及USB接口。如附圖6所示。無(wú)線傳輸模塊的接收部分主要用于接收無(wú)線傳感綜合模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)。而信號(hào)類型轉(zhuǎn)換芯片為FT232R，F(xiàn)T232R為USB/UART轉(zhuǎn)換芯片，其主要功能是在內(nèi)部硬件邏輯作用下實(shí)現(xiàn)USB和一步串行數(shù)據(jù)傳輸接口的轉(zhuǎn)換。芯片內(nèi)部繼承了 1024位的EEPROM和多頻率時(shí)鐘發(fā)生器(6MHz，12MHz，24MHz，48MHz)。電源芯片采用上文提到的AMSl117-3. 3，提供3. 3V輸出為FT232R和Zigbee模塊供電。USB接口用于與終端設(shè)備如PC機(jī)相連，完成數(shù)據(jù)傳輸以及電源供電功能。如附圖3所示，采用上述的無(wú)線傳感綜合模塊進(jìn)行人機(jī)交互的工作流程包括如下步驟I.在上位機(jī)接收模塊已經(jīng)插入且PC機(jī)打開的情況下，打開無(wú)線傳感綜合模塊電源； 中央處理單元的單片機(jī)、加速度計(jì)、數(shù)字陀螺以及信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行上電和初始化；2.上位機(jī)接收模塊開始自組網(wǎng)工作，子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)流程如附圖4所示，具體為(A)需接入的子節(jié)點(diǎn)上電并初始化，延時(shí)后，判斷子節(jié)點(diǎn)是否收到信標(biāo)幀，如果沒有收到，則認(rèn)為子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)失??；如果收到，則轉(zhuǎn)⑶；(B)監(jiān)聽信標(biāo)幀選擇主節(jié)點(diǎn)；(C)下位機(jī)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求給上位機(jī)接收模塊，如果下位機(jī)接收到主節(jié)點(diǎn)的回復(fù)，則轉(zhuǎn)(D);如果下位機(jī)沒有接收到主節(jié)點(diǎn)回復(fù)，則轉(zhuǎn)(E)；(D)分配短地址給子節(jié)點(diǎn)，此時(shí)子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功；(E)判斷是否存在主節(jié)點(diǎn)，如果沒有主節(jié)點(diǎn)則認(rèn)為子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)失敗，如果存在主節(jié)點(diǎn)，則返回(B)。所述的子節(jié)點(diǎn)為需要接入的無(wú)線傳感綜合模塊，所述的主節(jié)點(diǎn)為上位機(jī)接收模塊，所述的下位機(jī)為需接入的子節(jié)點(diǎn)，也是無(wú)線傳感綜合模塊。3.組網(wǎng)成功后上位機(jī)接收模塊發(fā)送運(yùn)動(dòng)信息采集指令，中央處理單元開始采集加速度傳感器和角度傳感器的數(shù)據(jù)；4.中央處理單元的單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，對(duì)加速度數(shù)據(jù)還原出位移數(shù)據(jù)，將位移數(shù)據(jù)及角度數(shù)據(jù)作為運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于緩存中；5.將緩存中數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行傳輸，傳輸給上位機(jī)接收模塊；6.上位機(jī)接收模塊接收數(shù)據(jù)后通過(guò)USB直接連接PC機(jī)等終端設(shè)備，進(jìn)行保存等以備后續(xù)調(diào)用操作。本發(fā)明在人機(jī)交互方法的具體實(shí)現(xiàn)主要針對(duì)用戶的雙腳分別采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，并考慮到多用戶同時(shí)互連進(jìn)行人機(jī)交互的可行性，特別設(shè)計(jì)了雙腳運(yùn)動(dòng)信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每只鞋子的傳感器的采集數(shù)據(jù)將以六元組的方式傳輸，左腳的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)記作，Da(Axa,AyA, A zA, 0 a, SNa, IDa),右腳數(shù)據(jù)記作 Db (A xb, AyB, Azb, 0 B, SNb, IDb)。為了便于對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述，這里將世界坐標(biāo)系記作XYZ三個(gè)軸向，與三軸加速度傳感器的軸向重合。其中A xA, A yA表示在地平面坐標(biāo)系下，用戶左腳的移動(dòng)位移信息，變量類型為float型，物理含義為以分米為計(jì)量的位移；△ zA表示在高度上用戶左腳抬起的高度，變量類型為浮點(diǎn)型，物理含義為以分米為計(jì)量的位移；eA表示左腳圍繞其Z軸所旋轉(zhuǎn)的角度，變量類型為整型，物理含義是表示以。為單位的旋轉(zhuǎn)角度；SNA表示無(wú)線傳感綜合模塊的序列號(hào)，該變量為長(zhǎng)整型，是無(wú)線傳感綜合模塊唯一表示，用以區(qū)分生產(chǎn)出的每雙鞋子，便于后續(xù)的多人互連交互的入網(wǎng)以及識(shí)別；^\作為左腳的標(biāo)識(shí)，變量類型為Bool型，0代表左腳，I代表右腳。同樣的，右腳數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有類似的含義。
人機(jī)交互控制方法的實(shí)現(xiàn)主要在于，基于數(shù)據(jù)包Da( Axa，AyA, Aza, 0 A，SNa, IDa)和Db(AXb，AyB, Azb, 0 B，SNb，IDb)，設(shè)計(jì)一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)組，用多個(gè)狀態(tài)機(jī)的組合表示用戶的雙腳移動(dòng)狀態(tài)，每個(gè)無(wú)線傳感綜合模塊作為一個(gè)狀態(tài)機(jī)。這里以單個(gè)用戶的雙腳運(yùn)動(dòng)信息為例進(jìn)行說(shuō)明MA用以表示當(dāng)前左腳運(yùn)動(dòng)信息的狀態(tài)機(jī)，MB用以表示右腳運(yùn)動(dòng)信息的狀態(tài)機(jī)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為M(mx, my, mz, 0 z),其中mx, my的取值分別為_1、0和I, mx = -I表示沿x軸負(fù)方向移動(dòng)了，mx = I表示沿X軸正方向移動(dòng)了，mx = 0表示沒有移動(dòng)，my的取值與mx有相同含義；而1!^的取值有兩個(gè)，為0和1，對(duì)應(yīng)沿Z軸正方向沒有移動(dòng)和沿Z軸正方向向上移動(dòng)。我們認(rèn)定用戶是無(wú)法運(yùn)動(dòng)到地平面以下的，因此mz沒有負(fù)值；e z取值為
，表示用戶的腳步旋轉(zhuǎn)角度；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中M的狀態(tài)由mx,my,mz附加上9 z共同決定，而mx,my,mz值則由(Ax,Ay, Az)與其本身的當(dāng)前狀態(tài)共同決定，設(shè)mx當(dāng)前狀態(tài)用mx(k)表示，my當(dāng)前狀態(tài)用my (k)表示,mz當(dāng)前狀態(tài)用mz (k)表示；相應(yīng)的，mx下一個(gè)狀態(tài)用mx(k+l)表示,my下一個(gè)狀態(tài)用my (k+1)表示，mz下一個(gè)狀態(tài)用mz (k+1)表示。則mx的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如表I所示
表I中出現(xiàn)的閾值變量Dis，含義一個(gè)以分米為單位的正數(shù)。用來(lái)表示只有超過(guò)這個(gè)值的移動(dòng)，才認(rèn)為是用戶腳步狀態(tài)有了改變。例如當(dāng)用戶腳步出現(xiàn)微小移動(dòng)時(shí)，我們認(rèn)為用戶并不是在改變狀態(tài)，同時(shí)這種設(shè)計(jì)也是為了便于人機(jī)交互控制。表Imx狀態(tài)轉(zhuǎn)換表
狀態(tài)轉(zhuǎn)換 1 2 3 4 5 67__8__9
mx (k) -I 0 I -I 0 I-I0I
aX <-Dis <-Dis <-Dis >Dis >Dis >Dis <Dis<Dis<Dis
________>-Dis__>-Dis__>-Dis
mx (k+1) -1-10 0 11-I0Imy的狀態(tài)轉(zhuǎn)換與mx相同，如下表2所示表2my狀態(tài)轉(zhuǎn)換表
狀態(tài)轉(zhuǎn)換 1 2 3 4 5 67__8__9
my (k) -I 0 I -I I-I0I
Ay <-Dis <-Dis <-Dis >Dis >Dis >Dis <Dis<Dis<Dis
________>-Dis__>-Dis__>-Dis
my (k+1) -1-10 0 11-I0Imz狀態(tài)換轉(zhuǎn)如表3所示表3mz的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表
權(quán)利要求
1.一種體感鞋，其特征在于所述的體感鞋主要包括一個(gè)上位機(jī)接收模塊和分別設(shè)置在左右兩只鞋子上的兩個(gè)無(wú)線傳感綜合模塊，所述的無(wú)線傳感綜合模塊用于采集雙腳的運(yùn)動(dòng)信息，并將運(yùn)動(dòng)信息以無(wú)線方式傳輸給上位機(jī)接收模塊，上位機(jī)接收模塊與終端設(shè)備相連接，將運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸入指令實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；所述的鞋子的底部有卡槽，無(wú)線傳感綜合模塊安裝和固定在卡槽內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種體感鞋，其特征在于所述的無(wú)線傳感綜合模塊包括加速度傳感器、角度傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、中央處理單元、無(wú)線傳輸模塊和電源單元，所述的加速度傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)調(diào)理單元后，與角度傳感器的數(shù)據(jù)一起經(jīng)過(guò)中央處理器單元 進(jìn)行處理，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給上位機(jī)接收模塊；所述的電源單元分別連接加速度傳感器、角度傳感器、中央處理單元和無(wú)線傳輸模塊，以提供穩(wěn)定電源；所述的上位機(jī)接收模塊包括無(wú)線傳輸模塊、USB/UART接口轉(zhuǎn)換芯片、電源芯片以及USB接口，所述的無(wú)線傳輸模塊接收無(wú)線傳感綜合模塊發(fā)送的運(yùn)動(dòng)信息，并通過(guò)USB/UART接口轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為可以通過(guò)USB接口輸出的形式，所述的USB接口直接與終端設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)即插即用。
3.基于體感鞋的人機(jī)交互方法，其特征在于如下步驟 第一步，啟動(dòng)體感鞋上的無(wú)線傳感綜合模塊的開關(guān)，用以開啟電源，對(duì)加速度傳感器、角度傳感器、中央處理器和無(wú)線傳輸模塊供電并進(jìn)行初始化； 第二步，開啟上位機(jī)接收模塊，進(jìn)行無(wú)線搜索，開始自組網(wǎng)工作； 第三步，自組網(wǎng)成功后，上位機(jī)接收模塊發(fā)送運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集指令，中央處理單元開始采集加速度傳感器和角度傳感器的數(shù)據(jù)； 第四步，中央處理單元的單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，還原出位移及其角度信息，并作為運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于緩存中； 第五步，中央處理單元將緩存中的運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給上位機(jī)模塊； 第六步，上位機(jī)接收模塊接收數(shù)據(jù)后，按照運(yùn)動(dòng)信息與人機(jī)交互指令之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于體感鞋的人機(jī)交互方法，其特征在于所述的運(yùn)動(dòng)信息以六元組的方式傳輸，左腳的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)記作仏&M zg右腳數(shù)據(jù)記作Db(ajc一 y# z§, A，世界坐標(biāo)系記作XYZ三個(gè)軸向，與三軸加速度傳感器的軸向重合，其中Axa, A yA表不在地平面坐標(biāo)系下,左腳的移動(dòng)位移彳目息，Axb, A yB表不在地平面坐標(biāo)系下，右腳的移動(dòng)位移彳目息；八工4和A zB分別表不在聞度上左腳和右腳抬起的聞度；94和eB分別表示左腳和右腳圍繞其Z軸所旋轉(zhuǎn)的角度4乂和SNb分別表示每只鞋子上安裝的無(wú)線傳感綜合模塊的序列號(hào)；104和IDb分別作為左腳和右腳的標(biāo)識(shí)，O代表左腳，I代表右腳。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于體感鞋的人機(jī)交互方法，其特征在于所述的運(yùn)動(dòng)信息采用狀態(tài)機(jī)的組合表示用戶的雙腳移動(dòng)狀態(tài)，MA用以表示當(dāng)前左腳運(yùn)動(dòng)信息的狀態(tài)機(jī)，MB用以表示右腳運(yùn)動(dòng)信息的狀態(tài)機(jī)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為M(mx,my,mz, 0 J ,其中mx,my的取值分別為_1、0和I, mx = -I表示沿X軸負(fù)方向移動(dòng)了，mx = I表示沿x軸正方向移動(dòng)了，mx =O表示沒有移動(dòng)，my的取值與mx有相同含義；而mz的取值有兩個(gè)，為O和1，對(duì)應(yīng)沿Z軸正方向沒有移動(dòng)和沿Z軸正方向向上移動(dòng)；0Z取值為[O，360]，表示用戶的腳步旋轉(zhuǎn)角度；左腳運(yùn)動(dòng)信息狀態(tài)機(jī)，氣 )與右腳運(yùn)動(dòng)信息狀態(tài)機(jī)^^(皿^，^%，—5，&)，組成了一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)組，通過(guò)狀態(tài)機(jī)MA，MB的組合，進(jìn)行人機(jī)交互的具體操作與人體的腳步動(dòng)作的映射，最終實(shí)現(xiàn)用人體雙腳的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行人機(jī)交互。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種體感鞋及其人機(jī)交互方法，屬于電子信息、自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。所述的體感鞋主要包括一個(gè)采用無(wú)線技術(shù)的上位機(jī)接收模塊和設(shè)置在一雙鞋上的無(wú)線傳感綜合模塊，所述的無(wú)線傳感綜合模塊用于采集用戶腳步移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、跳躍等運(yùn)動(dòng)信息，并將運(yùn)動(dòng)信息以無(wú)線方式傳輸給上位機(jī)接收模塊，與終端設(shè)備間實(shí)現(xiàn)交互。本發(fā)明在普通鞋子或者運(yùn)動(dòng)鞋上安裝無(wú)線傳感綜合模塊，通過(guò)左右兩只鞋子的運(yùn)動(dòng)信息來(lái)替換鍵盤和鼠標(biāo)操作，提供了一種新穎的人機(jī)交互方式。采用加速度計(jì)和數(shù)字陀螺，制作成本低，易于大規(guī)模的生產(chǎn)實(shí)踐。具有功耗低，使用時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F3/01GK102662468SQ201210088589
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月28日
發(fā)明者劉高峰, 宋子健 申請(qǐng)人:劉高峰, 宋子健