CN103179692A - 基于ZigBee/IEEE802.15.4的人体运动追踪*** - Google Patents

基于ZigBee/IEEE802.15.4的人体运动追踪*** Download PDF

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Abstract

一种基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***，它是把无线可穿戴传感网络覆盖在人体九个独立肢体部位，每个独立肢体附着一个无线可穿戴传感节点，用于监测该肢体在三维空间中的自由活动。在每个无线可穿戴传感节点内，利用一个惯性测量单元，包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力传感器，利用在线数据融合算法计算独立肢体在三维空间内的方位。在可穿戴无线传感网络中，采用TDMA方式，把实时方位数据通过低功耗无线通信技术Zigbee/IEEE 802.15.4发送给基站。基站把获得的无线可穿戴传感网络实时转发给电脑。在电脑内根据前向运动模型，重构人体运动。重构的人体运动可以通过互联网络发送给远方用户，供远程医疗。该***完全消除传感器节点之间的连线，无需光源辅助，并且采用低功耗无线操作***便于***扩展和应用开发。

Description

基于ZigBee/IEEE802.15.4的人体运动追踪***
技术领域
本发明涉及一种基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***，尤其是指一种利用可穿戴无线传感网以检测人体运动的运动追踪方法与***，属于人机交互领域。
背景技术
随着计算机图形技术的广泛应用，运动追踪技术成为研究的热点。人体运动追踪技术是医疗、康复领域重要的研究前景，通过远程医生，病人无需出门就可以得到医生的诊断和帮助。此外，该技术还可以应用于影视制作、运动员训练、智能媒体、危险环境下控制机器人作业等。
目前实现人体运动追踪的技术主要包括机械式追踪、电磁式追踪、视频追踪、光学追踪和惯性追踪。机械式追踪技术的特点是计算精确，但由于设备体积大灵活性差，从而影响受测物体或受测者的运动自由；电磁式追踪技术灵活性强，缺点是容易受到磁场或其他金属物体的影响；视频追踪和光学追踪技术的灵活性都很强，而且计算精确，缺点是这两种技术容易受到自然环境的影响，而且成本较高。
随着MEMS技术的不断成熟，MEMS惯性传感器被越来越多地应用于运动追踪领域。惯性测量单元是目前运动追踪领域常用的测量技术，包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计。使用单一测量单元只能追踪某一刚体的运动，对于人体运动追踪则至少需要15个节点。这些节点之间进行通信可以选择有线和无线两种方式。有线通信需要将所有节点连接到中心控制单元CCU(central control unit)，灵活性很差，而无线通信则更加灵活，但却增加了通信技术的复杂性。在现有技术中，利用惯性测量单元进行人体运动追踪的方法很多，但节点的功能仅限于采集运动数据，有关任务调度，进程安排等任务全部依赖于基站。
发明内容
本发明提出了一种基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***，目的是利用多个惯性测量单元组成可穿戴式无线传感网络采集处理人体运动信息，从而构建一个准确性高、实时性好、通信稳定、低功耗的人体运动追踪***。
为克服现有人体运动追踪***的缺陷，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***由可穿戴式无线传感网络来实现，可穿戴无线传感网络用于采集人体运动信息并通过低功耗无线通信技术，转发给电脑，利用虚拟现实技术实时呈现三维人体运动。
所述的可穿戴无线传感网络包括多个可穿戴式传感器节点和一个基站。可穿戴式传感器节点分别分布于人体的各个部位。基站通过USB接口将运动信息转发给电脑。
所述的无线可穿戴传感节点包括3种传感器：三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计。节点通过内嵌的微型操作***进行多任务调度，采用异构数据融合算法计算人体运动方位，并通过低功耗无线通信协议发送给基站，同时从基站接收控制信息。
所述的微型操作***是TinyOS-1.x。
所述的低功耗无线通信协议是ZigBee/IEEE 802.15.4。
所述的异构数据融合算法是卡尔曼滤波算法。
所述的基站接收可穿戴传感器节点采集的人体动作信息并转发给电脑处理，同时向各传感器节点发送控制信息。
为了解决人体运动追踪***实时性的问题，采用时分多址TDMA(time division multipleaccess)的方法来实现实时追踪。
本发明采用以上装置的基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***，包括以下五个步骤：
步骤一：布置传感器节点：将九个可穿戴式传感器节点固定在受测者的双臂(左/右前臂、左/右上臂各1，共四个)、双腿(左/右上腿、左/右小腿各1，共四个)和腹部；
步骤二：采集处理人体运动信息：所有无线可穿戴式传感节点采集被监测部分运动信息并做数据融合处理，获取空间方位数据；
步骤三：发送数据：九个无线可穿戴传感节点将处理后的数据按照TDMA时分复用方式发送给基站；
步骤四：接收数据：基站接收到无线可穿戴传感器网络发来的数据并转发给电脑；
步骤五：三维重建立体动作：电脑收到无线可穿戴传感网络发送的数据，利用前向运动模型，重构人体运动，并实时呈现。
与现有技术对比，本发明的优点如下：
(1)采用本发明的基于无线可穿戴传感网络的人体运动追踪***，消除传感节点之间的连线束缚，方便人体在三维空间***，灵活性好。
(2)利用低功耗无线通信技术(如ZigBee/IEEE 802.15.4)，使得每个无线可穿戴传感节点具有高能效性，延长节点的使用生命期。
(3)本发明每个无线可穿戴传感节点采用惯性测量单元测量独立肢体运动，不需要光源，满足运动者在无光环境中应用。
(4)本发明中无线可穿戴传感节点内，利用低功耗操作***，方便多任务处理和调度，增加了***灵活性和扩展性，便于***扩容和新业务的开发。
附图说明
图1人体机械生理模型
图2基于无线可穿戴传感网络人体运动追踪***结构图
图3可穿戴传感器节点结构图
实施方式
图1是人体生理机械模型，基于此模型人体可以划分为15个独立的肢体，每个肢体在三维空间中具有六个自由度。因而每个肢体可以利用一个具有六自由度的惯性测量单元追踪该肢体在三维空间中的运动。
图二是基于无线可穿戴传感网络的***架构图，基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***由可穿戴式无线传感节点、无线可穿戴传感网络、基站(或网关，图书以网关标注，本文以基站称之)及分发网络四部分组成。无线可穿戴节点用于监测每个独立肢体在三维空间中的运动；无线可穿戴传感网络用于监测整个人体运动；基站用于接收来自于无线可穿戴传感网络的实时低功耗数据，并在本地进行人体运动重构；分发网主要用于因特网上实时姿态数据分发，便于远程监控或医疗。
本发明中可穿戴式无线传感网络包九个可穿戴式无线传感节点和1个基站。九个可穿戴式传感节点分别分布于人体双臂的上臂和前臂、双腿的大腿和小腿以及腹部。基站通过USB接口将运动信息转发给电脑。
如图3所示，每个可穿戴式传感器节点包括三种传感器和一个高精度微处理器：一个三轴加速度传感器111、一个三轴陀螺仪112、一个三轴磁力计113和微处理器114。三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计构成一个具有六自由度的惯性单元，可以获得独立肢体在三维空间任意方法。该方位由微处理器进行计算，获得用于描述三维空间方位描述值欧拉角或四元组。在每个可穿戴传感节点中，采用低功耗操作***TinyOS-1.x，负责传感器数据采集、方位位置计算和多节点无线通信技术。计算出空间方位数据，并通过ZigBee/IEEE802.15.4协议发送给基站，同时从基站接收控制信息。
本发明中，可穿戴式传感器节点采用Crossbow公司的Imote2无线传感节点，具有32位微处理器，工作频率在13～416MHz。传感器插板采用VectorNA公司的VN100，内置的32位微控制器负责处理传感器采样和执行扩展卡尔曼算法，最高频率可达到200Hz。
由于人体运动追踪对实时要求较高，因此本发明采用时分多址TDMA(time divisionmultiple access)的方法来保证无线可穿戴传感网络中多节点可靠通信。在TDMA实现过程中，由于低功耗操作***Tinyos采用先来先服务的方式，因而时间同步采用逐一调度每个传感器节点的方式来实现，即第一个可穿戴节点发送数据时候，第二个节点监听该节点；待第一个节点发送完毕后，进入休眠状态，第二个节点开始发送数据。一次类推，直到九个节点都发送数据完毕。
在不考虑操作***的处理延迟以及基站和电脑的延迟，每次采样的延迟时间大约是3.225毫秒。可穿戴无线传感节点***时钟是46.2纳秒，***调度延迟约是1.107毫秒。定义每个TDMA***时间间隙5毫秒，并且定义TDMA帧长为10，即50毫秒，从而***运动最高刷新频率为20赫兹。
综上所述，本发明基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***，包括以下五个步骤：
步骤一：布置传感器节点：将九个可穿戴式无线传感节点固定在受测者的双臂、双腿和腹部；
步骤二：采集处理人体运动信息：可穿戴无线传感节点采集各个肢体运动信息并做数据融合处理，获得三维空间方位数据；
步骤三：发送数据：无线可穿戴传感网络所有节点按照TDMA方式把各个肢体的数据发送给基站；
步骤四：接收数据：基站接收无线可穿戴网络所有传感器节点发送的数据并转发给电脑；
步骤五：三维重建人体运动：基于前向运动模型，在一帧时间内重构人体运动，利用虚拟现实技术，实现三维呈现。
本发明基于基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***操作简单，追踪精度高、实时性强，利用无线通讯方式，使受测者活动自由，提高***灵活性。利用惯性测量单元内嵌微型操作***的方式进行任务调度，节省时间，降低了整个***的复杂性和能耗，延长能源的使用周期。

Claims (8)

1.一种基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***由无线可穿戴式传感器节点、无线可穿戴传感网络、基站和分发网络四部分组成。无线可穿戴传感网用于采集人体动作信息，将人体运动数据信息转发给电脑，利用虚拟现实技术实现三维人体动作重现。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***，其特征在于利用惯性测量单元作为可穿戴式传感器节点采集人体运动信息。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***，其特征在于可穿戴式无线传感网络包括九个可穿戴式传感器节点和一个基站。九个可穿戴式无线传感器节点分别分布于人体双臂的上臂和前臂、双腿的大腿和小腿以及腹部。基站通过USB接口将运动信息转发给电脑。
4.根据权利要求1所述的基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***，其特征在于所述的无线可穿戴传感器节点，包括一个三轴加速传感器、一个三轴陀螺仪和一个三轴磁力计。
5.根据权利要求1所述的基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***，其特征在于节点通过TinyOS-1.x微型操作***以先进先出原则进行多任务调度，如数据采样、无线通信等。
6.根据权利要求1所述的基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***，其特征在于节点内采用扩展卡尔曼滤波算法对三轴加速度、陀螺仪和三轴磁力计进行在线数据融合，获得三维空间方位数据，并通过低功耗无线通信技术发送给基站，同时从基站接收控制信息。
7.根据权利要求6所述的无线通信协议其特征在于使用ZigBee/IEEE 802.15.4协议，保证***具有较长的生命期。
8.根据权利要求1所述的基于ZigBee/IEEE 802.15.4的人体运动追踪***，其特征在于包括以下五个步骤：
步骤一：布置传感器节点：将九个无线可穿戴式传感器节点固定在受测者的双臂、双腿和腹部；
步骤二：采集处理人体运动信息：无线可穿戴式传感器节点采集受测者的运动信息并做数据融合处理；
步骤三：发送数据：无线可穿戴式传感器节点将处理后的数据发送给基站；
步骤四：接收数据：基站接收无线可穿戴式传感器节点发送的数据并转发给电脑；
步骤五：三维重建立体动作：根据前向运动学原理，利用虚拟现实技术重建人体动作信息。
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