專利名稱：基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)，尤其是指一種利用可穿戴無線傳感網(wǎng)以檢測人體運動的運動追蹤方法與系統(tǒng)，屬于人機交互領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著計算機圖形技術(shù)的廣泛應(yīng)用，運動追蹤技術(shù)成為研究的熱點。人體運動追蹤技術(shù)是醫(yī)療、康復(fù)領(lǐng)域重要的研究前景，通過遠程醫(yī)生，病人無需出門就可以得到醫(yī)生的診斷和幫助。此外，該技術(shù)還可以應(yīng)用于影視制作、運動員訓(xùn)練、智能媒體、危險環(huán)境下控制機器人作業(yè)等。目前實現(xiàn)人體運動追蹤的技術(shù)主要包括機械式追蹤、電磁式追蹤、視頻追蹤、光學(xué)追蹤和慣性追蹤。機械式追蹤技術(shù)的特點是計算精確，但由于設(shè)備體積大靈活性差，從而影響受測物體或受測者的運動自由；電磁式追蹤技術(shù)靈活性強，缺點是容易受到磁場或其他金屬物體的影響；視頻追蹤和光學(xué)追蹤技術(shù)的靈活性都很強，而且計算精確，缺點是這兩種技術(shù)容易受到自然環(huán)境的影響，而且成本較高。隨著MEMS技術(shù)的不斷成熟，MEMS慣性傳感器被越來越多地應(yīng)用于運動追蹤領(lǐng)域。慣性測量單元是目前運動追蹤領(lǐng)域常用的測量技術(shù)，包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和三軸磁力計。使用單一測量單元只能追蹤某一剛體的運動，對于人體運動追蹤則至少需要15個節(jié)點。這些節(jié)點之間進行通信可以選擇有線和無線兩種方式。有線通信需要將所有節(jié)點連接到中心控制單元(XU(central control unit),靈活性很差,而無線通信則更加靈活，但卻增加了通信技術(shù)的復(fù)雜性。在現(xiàn)有技術(shù)中，利用慣性測量單元進行人體運動追蹤的方法很多，但節(jié)點的功能僅限于采集運動數(shù)據(jù)，有關(guān)任務(wù)調(diào)度，進程安排等任務(wù)全部依賴于基站O

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)，目的是利用多個慣性測量單元組成可穿戴式無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集處理人體運動信息，從而構(gòu)建一個準(zhǔn)確性高、實時性好、通信穩(wěn)定、低功耗的人體運動追蹤系統(tǒng)。為克服現(xiàn)有人體運動追蹤系統(tǒng)的缺陷，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)由可穿戴式無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，可穿戴無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于采集人體運動信息并通過低功耗無線通信技術(shù)，轉(zhuǎn)發(fā)給電腦，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實時呈現(xiàn)三維人體運動。所述的可穿戴無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括多個可穿戴式傳感器節(jié)點和一個基站。可穿戴式傳感器節(jié)點分別分布于人體的各個部位?；就ㄟ^USB接口將運動信息轉(zhuǎn)發(fā)給電腦。所述的無線可穿戴傳感節(jié)點包括3種傳感器:三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和三軸磁力計。節(jié)點通過內(nèi)嵌的微型操作系統(tǒng)進行多任務(wù)調(diào)度，采用異構(gòu)數(shù)據(jù)融合算法計算人體運動方位，并通過低功耗無線通信協(xié)議發(fā)送給基站，同時從基站接收控制信息。所述的微型操作系統(tǒng)是TinyOS-L X。所述的低功耗無線通信協(xié)議是ZigBee/IEEE 802.15.4。所述的異構(gòu)數(shù)據(jù)融合算法是卡爾曼濾波算法。所述的基站接收可穿戴傳感器節(jié)點采集的人體動作信息并轉(zhuǎn)發(fā)給電腦處理，同時向各傳感器節(jié)點發(fā)送控制信息。為了解決人體運動追蹤系統(tǒng)實時性的問題,采用時分多址TDMA(time divisionmultiple access)的方法來實現(xiàn)實時追蹤。本發(fā)明采用以上裝置的基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)，包括以下五個步驟:步驟一:布置傳感器節(jié)點:將九個可穿戴式傳感器節(jié)點固定在受測者的雙臂(左/右前臂、左/右上臂各1，共四個)、雙腿(左/右上腿、左/右小腿各1，共四個)和腹部；步驟二:采集處理人體運動信息:所有無線可穿戴式傳感節(jié)點采集被監(jiān)測部分運動信息并做數(shù)據(jù)融合處理，獲取空間方位數(shù)據(jù)；步驟三:發(fā)送數(shù)據(jù):九個無線可穿戴傳感節(jié)點將處理后的數(shù)據(jù)按照TDMA時分復(fù)用方式發(fā)送給基站；步驟四:接收數(shù)據(jù):基站接收到無線可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給電腦；步驟五:三維重建立體動作:電腦收到無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)，利用前向運動模型，重構(gòu)人體運動，并實時呈現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)對比，本發(fā)明的優(yōu)點如下:(I)采用本發(fā)明的基于無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)的人體運動追蹤系統(tǒng)，消除傳感節(jié)點之間的連線束縛，方便人體在三維空間自由運動，靈活性好。(2)利用低功耗無線通信技術(shù)(如ZigBee/IEEE 802.15.4)，使得每個無線可穿戴傳感節(jié)點具有高能效性，延長節(jié)點的使用生命期。(3)本發(fā)明每個無線可穿戴傳感節(jié)點采用慣性測量單元測量獨立肢體運動，不需要光源，滿足運動者在無光環(huán)境中應(yīng)用。(4)本發(fā)明中無線可穿戴傳感節(jié)點內(nèi)，利用低功耗操作系統(tǒng)，方便多任務(wù)處理和調(diào)度，增加了系統(tǒng)靈活性和擴展性，便于系統(tǒng)擴容和新業(yè)務(wù)的開發(fā)。


圖1人體機械生理模型圖2基于無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)人體運動追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3可穿戴傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖實施方式圖1是人體生理機械模型，基于此模型人體可以劃分為15個獨立的肢體，每個肢體在三維空間中具有六個自由度。因而每個肢體可以利用一個具有六自由度的慣性測量單元追蹤該肢體在三維空間中的運動。圖二是基于無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)圖，基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)由可穿戴式無線傳感節(jié)點、無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)、基站(或網(wǎng)關(guān)，圖書以網(wǎng)關(guān)標(biāo)注，本文以基站稱之)及分發(fā)網(wǎng)絡(luò)四部分組成。無線可穿戴節(jié)點用于監(jiān)測每個獨立肢體在三維空間中的運動；無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測整個人體運動；基站用于接收來自于無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)的實時低功耗數(shù)據(jù)，并在本地進行人體運動重構(gòu)；分發(fā)網(wǎng)主要用于因特網(wǎng)上實時姿態(tài)數(shù)據(jù)分發(fā)，便于遠程監(jiān)控或醫(yī)療。本發(fā)明中可穿戴式無線傳感網(wǎng)絡(luò)包九個可穿戴式無線傳感節(jié)點和I個基站。九個可穿戴式傳感節(jié)點分別分布于人體雙臂的上臂和前臂、雙腿的大腿和小腿以及腹部?；就ㄟ^USB接口將運動信息轉(zhuǎn)發(fā)給電腦。如圖3所示，每個可穿戴式傳感器節(jié)點包括三種傳感器和一個高精度微處理器:一個三軸加速度傳感器111、一個三軸陀螺儀112、一個三軸磁力計113和微處理器114。三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和三軸磁力計構(gòu)成一個具有六自由度的慣性單元，可以獲得獨立肢體在三維空間任意方法。該方位由微處理器進行計算，獲得用于描述三維空間方位描述值歐拉角或四元組。在每個可穿戴傳感節(jié)點中，采用低功耗操作系統(tǒng)TinyOS-L X，負責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集、方位位置計算和多節(jié)點無線通信技術(shù)。計算出空間方位數(shù)據(jù)，并通過ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議發(fā)送給基站，同時從基站接收控制信息。本發(fā)明中，可穿戴式傳感器節(jié)點采用Crossbow公司的Imote2無線傳感節(jié)點，具有32位微處理器，工作頻率在13 416MHz。傳感器插板采用VectorNA公司的VN100，內(nèi)置的32位微控制器負責(zé)處理傳感器采樣和執(zhí)行擴展卡爾曼算法，最高頻率可達到200Hz。由于人體運動追蹤對實時要求較高，因此本發(fā)明采用時分多址TDMA(timedivision multiple access)的方法來保證無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點可靠通信。在TDMA實現(xiàn)過程中，由于低功耗操作系統(tǒng)Tinyos采用先來先服務(wù)的方式，因而時間同步采用逐一調(diào)度每個傳感器節(jié)點的方式來實現(xiàn)，即第一個可穿戴節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時候，第二個節(jié)點監(jiān)聽該節(jié)點；待第一個節(jié)點發(fā)送完畢后，進入休眠狀態(tài)，第二個節(jié)點開始發(fā)送數(shù)據(jù)。一次類推，直到九個節(jié)點都發(fā)送數(shù)據(jù)完畢。在不考慮操作系統(tǒng)的處理延遲以及基站和電腦的延遲，每次采樣的延遲時間大約是3.225毫秒。可穿戴無線傳感節(jié)點系統(tǒng)時鐘是46.2納秒，系統(tǒng)調(diào)度延遲約是1.107毫秒。定義每個TDMA系統(tǒng)時間間隙5毫秒，并且定義TDMA幀長為10，即50毫秒，從而系統(tǒng)運動最高刷新頻率為20赫茲。綜上所述，本發(fā)明基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)，包括以下五個步驟:步驟一:布置傳感器節(jié)點:將九個可穿戴式無線傳感節(jié)點固定在受測者的雙臂、雙腿和腹部；步驟二:采集處理人體運動信息:可穿戴無線傳感節(jié)點采集各個肢體運動信息并做數(shù)據(jù)融合處理，獲得三維空間方位數(shù)據(jù)；步驟三:發(fā)送數(shù)據(jù):無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點按照TDMA方式把各個肢體的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站；步驟四:接收數(shù)據(jù):基站接收無線可穿戴網(wǎng)絡(luò)所有傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給電腦；步驟五:三維重建人體運動:基于前向運動模型，在一幀時間內(nèi)重構(gòu)人體運動，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)三維呈現(xiàn)。本發(fā)明基于基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)操作簡單，追蹤精度高、實時性強，利用無線通訊方式，使受測者活動自由，提高系統(tǒng)靈活性。利用慣性測量單元內(nèi)嵌微型操作系統(tǒng)的方式進行任務(wù)調(diào)度，節(jié)省時間，降低了整個系統(tǒng)的復(fù)雜性和能耗，延長能源的使用周期。
權(quán)利要求
1.一種基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)由無線可穿戴式傳感器節(jié)點、無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)、基站和分發(fā)網(wǎng)絡(luò)四部分組成。無線可穿戴傳感網(wǎng)用于采集人體動作信息，將人體運動數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給電腦，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)三維人體動作重現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)，其特征在于利用慣性測量單元作為可穿戴式傳感器節(jié)點采集人體運動信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)，其特征在于可穿戴式無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括九個可穿戴式傳感器節(jié)點和一個基站。九個可穿戴式無線傳感器節(jié)點分別分布于人體雙臂的上臂和前臂、雙腿的大腿和小腿以及腹部。基站通過USB接口將運動信息轉(zhuǎn)發(fā)給電腦。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)，其特征在于所述的無線可穿戴傳感器節(jié)點，包括一個三軸加速傳感器、一個三軸陀螺儀和一個三軸磁力計。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)，其特征在于節(jié)點通過TinyOS-1.x微型操作系統(tǒng)以先進先出原則進行多任務(wù)調(diào)度，如數(shù)據(jù)采樣、無線通信等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)，其特征在于節(jié)點內(nèi)采用擴展卡爾曼濾波算法對三軸加速度、陀螺儀和三軸磁力計進行在線數(shù)據(jù)融合，獲得三維空間方位數(shù)據(jù)，并通過低功耗無線通信技術(shù)發(fā)送給基站，同時從基站接收控制信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無線通信協(xié)議其特征在于使用ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議，保證系統(tǒng)具有較長的生命期。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee/IEEE802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)，其特征在于包括以下五個步驟: 步驟一:布置傳感器節(jié)點:將九個無線可穿戴式傳感器節(jié)點固定在受測者的雙臂、雙腿和腹部； 步驟二:采集處理人體運動信息:無線可穿戴式傳感器節(jié)點采集受測者的運動信息并做數(shù)據(jù)融合處理； 步驟三:發(fā)送數(shù)據(jù):無線可穿戴式傳感器節(jié)點將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站； 步驟四:接收數(shù)據(jù):基站接收無線可穿戴式傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給電腦；步驟五:三維重建立體動作:根據(jù)前向運動學(xué)原理，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)重建人體動作信息。
全文摘要
一種基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人體運動追蹤系統(tǒng)，它是把無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋在人體九個獨立肢體部位，每個獨立肢體附著一個無線可穿戴傳感節(jié)點，用于監(jiān)測該肢體在三維空間中的自由活動。在每個無線可穿戴傳感節(jié)點內(nèi)，利用一個慣性測量單元，包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和三軸磁力傳感器，利用在線數(shù)據(jù)融合算法計算獨立肢體在三維空間內(nèi)的方位。在可穿戴無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，采用TDMA方式，把實時方位數(shù)據(jù)通過低功耗無線通信技術(shù)Zigbee/IEEE 802.15.4發(fā)送給基站?；景勋@得的無線可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)實時轉(zhuǎn)發(fā)給電腦。在電腦內(nèi)根據(jù)前向運動模型，重構(gòu)人體運動。重構(gòu)的人體運動可以通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠方用戶，供遠程醫(yī)療。該系統(tǒng)完全消除傳感器節(jié)點之間的連線，無需光源輔助，并且采用低功耗無線操作系統(tǒng)便于系統(tǒng)擴展和應(yīng)用開發(fā)。
文檔編號H04W84/18GK103179692SQ20111043953
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者陳建新, 杜月林, 林宏, 王榮 申請人:陳建新, 杜月林, 林宏