基于加速度传感器的人体运动信息采集系统设计Word格式文档下载.doc

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指导教师：

2012年6月

基于加速度传感器的人体运动信息采集系统设计

摘要

人类运动与人体健康息息相关，一直以来受到人们的广泛关注，随着运动生物力学、人体测量学的发展，人们对人体运动的研究日益深入。

本文以运动生物力学理论为基础，对人体运动参数的测量和分析方法进行了研究，主要目的在于探索运动生物力学参数之间的关系，通过运动生物力学参数的测量、分析揭示人体运动的规律，在人体姿态识别、体育训练等方面提供理论指导。

在对人体结构及人体运动的特点进行了介绍和总结的基础上，为了便于人体运动研究，建立了人体运动的棒状模型及便于分析计算的人体坐标系。

通过对常用人体运动参数测量方法的分析，提出了利用加速度参数进行运动测量和分析的方法。

应用加速度传感器实现了对肢体运动的测量，并利用加速度参数与速度、位移等参数之间的数学关系实现了对其它运动参数的求解，从而对人体运动的姿态、动作轨迹等进行分析。

自行设计了运动采集系统，系统分为信号采集单元与数据处理单元两个部分，以ARM7、三轴加速度计ADXL330为核心，可实现最多5个传感器网络节点的信息采集及数据分析。

在对系统完成性能测试的基础上进行了运动测量的实验，并将其应用到电脑游戏的控制中进行可靠性的测试，实验结果验证了利用运动信息采集系统对人体运动信息进行采集和分析的方法是可行的。

利用加速度参数对人体简单运动进行分析的方法方便可行，但在复杂运动的分析中，则需要更多的信息进行综合分析。

因此，对于人体运动的研究，应综合多种方法，尽可能获取更多的信息，以使得人体运动分析更加科学、合理。

关键词：

运动生物力学，人体模型，运动信息采集，加速度传感器，运动测量

DesignofHumanMotionInformationCollectionSystem

BasedonAccelerationSensor

ABSTRACT

Humanhasalwayspaidbroadattentiontobodymotionrelatingclosetohumanhealth.Withthedevelopmentofmotionbiomechanicsandanthropometry,peoplehaveincreasinglydeeplystudiedhumanbodymotion.Thepaperfocusesonthemeasurementofbodymotionparametersandanalysismethodofbodymotionbasedonthetheoryofmotionbiomechanics.Thecontentsinvolvethestudyontherelationshipbetweenparametersofmotionbiomechanics,theanalysisofthelawofbodymotionbymeasuringmotionbiomechanicsparameterstoprovidetheoreticalguidanceforrecognitionofhumangesture,physicaltraining,andsoon.

Humanstructureandcharacteristicsofbodymotionareanalyzedandsummarized,onthebasisofwhichrodmodelandcoordinatesystemofhumanbodyarebuilttoprovideconvenienceforthestudyofbodymotion.Themethodofmeasuringbodymotionwithaccelerationsensorispresentedwiththeanalysisofcommonmeasurementmethodofbodymotionparameters.Themeasurementofextremityisperformedbyaccelerationsensor;

othermotionparametersaresolvedbythemathematicalrelationshipbetweenaccelerationparameterandvelocity,displacement,etc..Thereby,motiongestureandactiontraceofhumanbodycanbeanalyzed.

Asystemwhichconsistsofsignalcollectionunitanddataprocessingunitisdevelopedtocompletecollectionanddataanalysisfromthemotioninformationatmost5sensornetworknodesusingARM7andADXL330.Theexperimentsofmotionmeasurementaredoneonthebasisofperformingthetestingofsystemperformance,andthesystemisappliedincomputergameforthereliabilitytesting.Theresultsshowthatcollectingandanalyzingmotioninformationofhumanbodybythesystemisafeasiblemethod.

Theanalysisofsimplebodymotionusingaccelerationparameterisaconvenientandfeasiblemethod.Butmoreinformationisrequiredtobeanalyzedsyntheticallyinthecomplexmotion.Therefore,itisnecessaryforthestudyofbodymotiontosynthesizeavarietyofmethodsandobtainasmuchinformationaspossible,whichmakestheanalysisofbodymotionmorescientificandrational.

KeyWords：

Motionbiomechanics,Bodymotionmodel,Collectionofmotioninformation,Accelerationsensor,MotionMeasuremen

清华大学2012届毕业设计说明书

目录

1 绪论 1

1．1课题研究的背景、目的和意义 错误！

未定义书签。

1.1.1课题研究背景 错误！

1.1.2课程研究目的及意义 错误！

1．2人体运动信息采集及应用的发展与现状 错误！

1.2.1人类对人体运动研究的发展历程 2

1.2.2人体运动信息的应用现状 3

1.2.3有关人体运动信息研究的应用 4

1．3论文的主要工作和章节安排 5

2 人体运动信息采集与分析的理论基础 7

2．1运动生物力学的相关理论 7

2.1.1运动生物力学的基本运动参数 7

2.1.2运动生物力学的测量方法 7

2．2人体生理结构及运动特点 8

2.2.1人体关节、环节的运动 8

2.2.2人体运动的特点 8

2．3人体运动模型的建立 9

2.3.1人体的棒状模型 9

2.3.2人体运动坐标系的建立 10

2．4小结 12

3 人体运动信息采集与分析的方法 13

3．1人体运动信息采集的方法 13

3.1.1光学测量方法 13

3.1.2非电量电测法 14

3.1.3肌电信号测量法 14

3．2基于加速度传感器的运动信息采集与分析 15

3．3小结 16

4 人体运动信息采集系统的设计 18

4．1系统总体设计 18

4．2系统硬件设计 19

4.2.1信号采集单元电路设计 19

4.2.2数据处理单元电路设计 23

4．3系统软件设计 28

4.3.1信号采集单元程序设计 28

4.3.2数据处理单元程序设计 30

4．4本章小结 33

5 结论 34

附录 36

参考文献 37

致谢 39

第II页共II页

1绪论

1.1课题研究的背景、目的和意义

1.1.1课题研究背景

人类作为物质世界的一种生物体，理所当然是与运动密切相关的，现有科学技术也明确的告诉我们，物质的运动时绝对的，大到宏观世界宇宙间的天体、星系，小到微观世界的分子、离子、电子等，都是无时无刻不在运动。

而人类也在社会的不断发展进步中，对运动的认识也在逐步深入，研究的范围也在不断拓展。

随着时代的发展，当代的人们对健康的更加关注及需求，也推动着与其息息相关的人体运动研究的发展。

从而使得人体运动测量学、人体运动生物力学等学科的研究也取得了巨大的进步。

而且各种体育赛事已经深入到人类活动的每一个角落，体育竞技的强度也在不断提升，整个社会都在努力地寻求突破，需要掌握更多的人体运动信息，这也进一步促进了整个人类社会在这个领域的巨大投入。

因此，对人体运动信息的研究也就成了现代科学研究的一项重要的学科，以人体的运动为研究对象，精确地获取人体在运动过程中位移、速度、加速度、力以及肌电信号等，并进行处理以及分析，是现代生物医学发展的重要推动力，也备受青睐及关注。

1.1.2课程研究目的及意义

在研究人体运动时，我们实际上把人体当做一个物质的合成体，通过人体的外部运动表现出来信息，去分析人体的内部运动，诸如脑部的运动：

思维、决策等形成完成外部动作的指令的过程等。

而且我们必须由外到内的去分析研究，分析两者之间的联系及纽带，这样才能更好地认识人体自身，获得足够的科学依据，来为人类社会的发展做出应有的贡献。

总所周知，人体的构造十分的复杂，故而对人体运动学的研究也就要涉及的很多的学科，要找到这些学科如运动学、动力学、人体解剖学等诸多学科的交叉，采集人体运动信息，以及在各种力的作用下，人体内部器官系统力学与人体进行局部或者整体运动时，人体在时间和空间的位置，姿势、运动状态等的变化规律，继而进行分析研究[1]。

在对人体运动信息的研究过程中，最关键的一环就是对人体运动信息的检测和采集，而人体运动检测技术囊括了医学、物理学、数学、计算机科学等诸多学科，又与虚拟现实技术、建模技术、计算机动画技术、模式识别技术、人机交互技术、数据可