[发明专利]一种无线多人运动数据采集器及采集方法

说明书

技术领域

本发明涉及数据采集和无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种无线多人运动数据集采集器。

背景技术

运动数据采集是动作捕获技术的关键部分，通过动作捕获技术，计算机可以理解人体动作，然后用户就可以通过体态、方位、手势和表情等模态向计算机发出指令、传达信息等，除了人机交互领域之外，运动捕捉还可以应用在运动分析、模型编码、虚拟现实、动画制作、智能监控系统、游戏制作等领域，应用于人体的动作捕捉技术具有广阔的应用前景和巨大的商用价值。

从20世纪80年代开始，美国有几个实验室陆续开展人体运动捕捉系统的研究，如Biomechanics实验室、Simon Frase大学、麻省理工学院等。此后，随着越来越多的研究人员和开发商的发现了运动捕捉技术的价值，这项技术也逐渐地从试用性研究走向实用化。目前在欧美等发达国家，为了适应动画制作逐步提高的高要求，运动捕捉技术已经进入了实用化阶段，有多家厂商相继推出了其商品化的运动捕捉设备，如MotionAnalysis、MAC、Polhemus、FilmBox、Sega Interactive、X-Ist等，目前已成功商业化的应用领域有体育训练、虚拟现实、游戏互动、人体等生物力学研究等。

现有的商业化运动捕捉系统从工作原理来看，主要分为五类：微传感器MEMS式、电磁式、光学式、机械电动式、声学式。一般可从以下几个方面对不同设备进行评价：数据精度；可捕捉运动对象的数目多少；可捕捉运动空间范围大小；实时性；抗干扰能力；使用方便程度；成本等。

目前已有的无线运动数据采集器，主要存在着支持的无线数据传感节点数量少，数据刷新率低，无法同时高速采集多人运动数据等问题。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供了一种无线多人运动数据集采集器及采集方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种无线多人运动数据采集器，其特征在于，它主要由数十个数据传感节点，六个数据中继节点和一个数据汇聚节点组成，三种节点组成基于分簇的无线传感网络用以精确，高速地采集各项人体运动传感数据。其中，数十个数据传感节点附着于人体各个运动关键部位，将周期性采集的数据压缩后，通过无线网络传送至所连接的数据中继节点，数据汇聚节点与六个数据中继节点通过SPI接口有线连接，分时通信，最终将传感数据通过USB汇总至计算机。

一种上述的基于分簇无线传感网络的多人运动数据采集方法，其特征在于，该方法包括时间同步机制，管道数据聚合方法，多信道空位退避机制以及本地姿态四元数滤波估计方法，包括以下步骤：

（1）数据汇聚节点和数据中继节点初始化。

（2）数据汇聚节点和数据中继节点组网，建立无线传感网络，等待数据传感节点入网。

（3）数据传感节点初始化。

（4）数据传感节点监听信道，申请入网。

（5）数据传感节点周期性采集传感器数据，并处理压缩该次数据。

（6）数据传感节点根据采集周期封装压缩后的数据，并进入低功耗休眠状态等待定时器将其唤醒。

（7）数据传感节点根据采集周期定时唤醒，并将数据传送给指定数据中继节点。

（8）数据汇聚节点接收数据中继节点数据，并由USB传送至计算机。

（9）一次数据传输结束，重复步骤5-8，实现运动传感数据的周期性采集。

本发明的有益效果是：

1.采用该种无线人体运动数据采集器，可同时以30Hz到120Hz的刷新频率采集2-4人运动数据，并通过无线传感网络精确的将数据传送至计算机终端。

2.采用穿戴式数据传感节点，利用基于微机械电子系统MEMS的三种不同类型传感器及小型MCU+RF模块，尽可能减小PCB板面积，并合理设计穿戴外壳，不仅保证了穿戴的舒适性，并有效保证了节点的高性能要求。

3.采用基于梯度下降算法的补偿滤波器结构，在数据传感节点本地计算出描述姿态矩阵的四元数值，达到小于2°的RMS精度，有效减少了数据传输量，节省大量无线带宽，很好的解决了传统运动数据采集器携带数据传感节点数量与有限带宽的矛盾。

4.采用管道数据聚合方法，综合来至于同一节点不同时刻的数据，通过合并同类数据和去除冗余，较少数据传输量及时隙同步开销，进一步达到节省带宽和能耗的目的。

5.采用时钟周期调整来保证传感网络的严格时隙同步，达到网络低于1%丢包率的目的，保证了无线系统的稳定性。