一种获得运动信息的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及模式识别、电子信息技术与计算机科学领域，尤其设计一种带有运动 数据检测与体感游戏功能的鞋和系统，以及一种人机交互的方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子技术的发展，传统制鞋业领域出现了一种新型运动鞋一一智能运动鞋。 智能运动鞋是一种运动或者健身的辅助工具，其在普通运动鞋内部安装传感器以测算用户 的运动数据。
[0003] 然而，现有的智能运动鞋只能用来测量速度、里程、高度等"直接"、"简单"的运动 数据，不具备对所测量的数据进行处理、分析的能力。也就是说，其无法对人体运动模式这 种"间接"数据进行识别，如对人体脚步移动方向的判断，也就更不可能进一步利用人体不 同的动作进行人机交互的控制，如进行PC或手机端的游戏交互控制等。
[0004] 人体运动模式识别的主要难点在于三点：其一、用于人机交互如体感游戏 控制过程中，人的运动是没有规律性的，多属于随机动作，因此相比于跑步和走路这 种规律性运动，运动模式的准确识别难度要比测量速度和里程等数据大的多；其二、 MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems微机电系统）元件具有漂移的特性，随着使用 时间的推移和温度的变化，其输出值会随之漂移，因此这种漂移特性给人体运动模式识别 的方法提出了更高的要求；其三、每个人的脚部运动模式有其特殊性，如有些人是外八字步 和内八字步等，需要给出一种普适性的实现方案，可以适应于大多数人群，这也给运动模式 识别带来了很大的困难。
[0005] 而在游戏娱乐领域，对于需要用脚来进行的游戏，如跳舞类、足球类游戏，以及最 新的跑酷类游戏，大多数依然还是在用传统人机交互方式如手柄、键盘以及触摸屏来控制。 如国内非常流行的跳舞机类游戏《劲舞团》和《QQ炫舞》，基本还是在用键盘的"上下左右" 等方向键来控制。目前已经有部分跳舞机类游戏采用了 "跳舞毯"进行游戏，但是这种跳 舞毯的局限性较大，比如，跳舞毯的大小是固定的，对于不同身高腿长的人群（大人和小孩 子），没有普遍适应性；再如，用户需要踩到固定的位置（压电感应的传感器放置位置），才 能产生控制信号，用户的运动空间受到跳舞毯大小和放置位置的制约，控制方式死板。
[0006] 综上所述，无论是运动领域还是娱乐领域，特别是适于用脚来完成的游戏，亟待一 种没有束缚的新型控制方式，以人脚部的运动状态（例如移动方向）来直接控制运动或游 戏，达到一种自然和谐人机交互的目的。
【发明内容】
[0007] 1、本发明所要解决的技术问题
[0008] 本发明旨在提供一种低成本、低功耗的解决方案，以实现人机交互，特别是实现人 体脚部的运动数据测量以及运动模式识别，并进一步实现人机交互。设计了一种基于单个 三轴加速度计和低功耗无线通讯技术的人体脚部运动信息采集传感器，可以放置在鞋子的 足弓处，基于步态识别技术以及对MEMS元件漂移的补偿算法，可以计算人体运动数据。并 基于模式识别技术，进一步实现了人体脚部的不同动作的识别，并将识别出的动作进一步 用于人机交互。系统整体设计以低功耗为目标，除了在选用硬件上注重低功耗以外，在通讯 协议和数据交互方式上，采用了休眠唤醒机制和事件驱动型的数据发送方式，以降低计算 功耗和通讯开支，从而实现整体系统的低功耗。
[0009] 本发明除了可以实现规律运动如跑步和走路等的运动数据计算外，还可以实现人 体无规律运动时的运动模式检测，并利用不同的动作直接控制体感游戏。
[0010] 特别的，当上位机是PC机时，基于Windows系统API，本发明可以将人体不同的动 作通过模拟系统输入的方式，映射为PC的键盘和鼠标输入。
[0011] 2、解决其技术问题采用的技术方案
[0012] 本发明所述的一种运动信息采集系统，包括：数据采集单元，用于采集加速度数 据；数据处理单元，对加速度数据进行处理；其中，数据处理单元包括根据所采集的加速度 数据获得运动信息的程序。
[0013] 数据采集单元包括：基于三轴加速度传感器，其用于获得采样周期T的三个轴向 的电压信号vx，v#vz。
[0014] 数据处理单元包括：中央处理单元，其用于处理电压信号Vx，'和Vz并根据电压信 号vx，\和￥2获得运动信息。
[0015] 中央处理单元包括：信号调理单元，其对电压信号1，'和Vz进行处理以获得数字 化的加速度运动信息。
[0016] 运动信息包括采样周期T的三个轴向的加速度值ax，a#Paz，加速度值ax，a#Paz 是通过下述公式计算得到的：
[0020]其中，
[0021]Vx为采样周期T的基于三轴的加速度传感器获得的x轴的轴向电压，
[0022]Vy为采样周期T的基于三轴的加速度传感器获得的y轴的轴向电压，
[0023]Vz为采样周期T的基于三轴的加速度传感器获得的z轴的轴向电压，
[0024]V。为基于三轴的加速度传感器的零偏，
[0025]scale为基于三轴的加速度传感器的刻度因数，
[0026] R为基于三轴的加速度传感器的量程。
[0027] 采样周期T的三个轴向的加速度值ax，a#az进行数字滤波以分别得到采样周期 T的三个轴向的修正的加速度值axf，ay#Pazf。
[0028] 运动信息还包括运动方向角9，其中，0是矢量（fx，fy，fz)的方向角，亡、仁、；^是 通过下述公式计算得到的：
[0029]
[0032] 其中，k代表从开始运动时刻起计算的采样次数，取值为自然数，
[0033]axf (i)，ayf (i)，azf(i)分别为在采样周期T内，第i+1次采集的三个轴向的加速度 信息，
[0034]axf。代表静止时刻x轴的加速度基准值，ayf。代表静止时刻y轴的的加速度基准值， azf。代表静止时刻z轴的加速度基准值。
[0035] 运动信息采集系统的工作原理为，根据下述步骤判断运动方向：
[0036] (1)将0在XYZ坐标系中映射为0 My，0z，其中0My为在X0Y面上投影的角度， 取值范围为【〇, 360】单位度；0z表示与Z轴正向的夹角，以Z轴正向为基准，取值范围为 【0，180】，
[0037] (2)将XYZ坐标系划分为5个区间0^ 0 2, 0 3, 0 4, 0 5;
[0038] (3)如果 | 9z| > 9 5且 9XC]yG(〇, 0J，0 ( 0 4,360)，则运动方向为向前；如 果I> 05且9xciye(0p02)，则运动方向为向左；如果I0」> 05且0XC]yG(0 2， 03)，则运动方向为向后；如果I0Z| > 05且0xciyG(0 3，04)，则运动方向为向右；如果 < 05且9xciyG (〇,360)，则运动方向为向上。
[0039] 0 " 0 2, 0 3, 0 4, 0 5是通过采集不同性别、不同身高的用户的运动数据，利用统计 规律修正得到的。
[0040] 运动信息还包括距离值Distance，距离值Distance是通过下述公式计算得到的：
[0041]
[0042] 其中，K、C为常数，AMax为一个运动过程中三个轴向合成加速度的最大值
[0043] 运动信息包括距离值Distance还可以通过下述公式计算得到的：
[0044]
[0045] 其中，K为常数，AMax为一个运动过程中三个轴向合成加速度的最大值
:=gra(t)+b，其中gra(t)是当前时间下加速度传感器单元 所测量得到的重力加速度，b是常数。
[0046] 运动信息还包括高度值，高度值Height是通过下述公式计算得到的：
[0047]
[0048] 其中，g是重力加速度值，Te是中央处理单元采集的第一时间，Ts是中央处理单元 采集的第二时间，Te-Ts是用户的滞空时间。
[0049] 运动信息还包括采样周期T的瞬时速度值V(t)，瞬时速度值V(t)是通过下述公式 计算得到的：
[0050]
[0051] 其中，TintCTval为自采样周期起持续运动的时间，d(t)是在采样时间t时刻已经经 过的距离，d(t+TintCTval)通过下述公式计算得到：
[0052] ______ ____ .. 、，，:其中，K、b为常数，AMax为一个运动过程中 三个轴向合成加速度的最大值：
％gra(t)为采样时刻t下加 速度传感器单元所测量得到的重力加速度。
[0053]运动信息还包括平均速度值Vavg(t)，平均速度值Vavg(t)是通过下述公式计算得到 的：
[0054]
[0055] 其中，d(t)是在计算采样时刻t已经经过的距离
[0056] 其中，K、b为常数，AMax为一个运动过程中三个轴向合成加速度的最大值：
gra(t)为采样时刻t下加速度传感器单元所测量得到的重 力加速度。
[0057] 运动信息采集系统还包括：电源单元，用于为所述运动信息采集系统供电；电源 控制芯片，用于将所述电源单元输出的电压处理稳定为所述运动信息采集系统其他各模块 所需的电压。
[0058] 本发明还提供一种鞋，包括：鞋子本体，和上述的运动信息采集系统，运动信息采 集系统用于获得用户所穿的鞋子本体的运动信息。
[0059] 本发明还提供一种人机交互系统，包括：上述的运动信息采集系统，运动信息采集 系统用于获得用户脚部的运动信息；无线接收模块，无线接收模块通过无线传输的方式与 运动信息采集系统进行无线连接；终端；和终端中所运行的软件或程序；其中，无线接收模 块与终端通过外设接口进行直接连接外设接口为USB接口，迷你USB接口或微型USB接口。 终端可为PC机、手机或智能电视。
[0060] 无线接收模块与运动信息采集系统的无线连接所采用的装置为Zigbee装置或低 功耗蓝牙装置。无线接收模块包括：USB/UART接口转换芯片，用于为所述无线接收模块接 收到的数据类型转换为可传输格式。
[0061] 当PC机为Windows操作系统时，人机交互的实现利用Windows API将人体不同的 动作映射为键盘和/或鼠标的不同输入，从而实现人机交互。
[0062] 人机交互系统将人体不同的动作映射为键盘和/或鼠标的不同输入包括：
[0063] 1)建立动作到人机交互指令序列的映射；
[0064] 2)根据配置文件解析键盘扫描码或者鼠标输入；
[0065] 3)调用系统API实现键盘或鼠标模拟。
[0066] 本发明还提供一种获得运动信息的方法，其特征在于，包括：1)电源开启，运动信 息采集系统以缺省状态初始化，进入低功耗休眠状态，人机交互模块开启无线搜索功能；2) 运动信息采集系统在休眠状态以Tsleep为周期发送启动请求信号；3)若启动请求信号没 有得到回应，继续执行流程2);否则，运动信息采集系统由休眠状态转入唤醒状态；4)在唤 醒状态，运动信息采集系统以时间T为时钟周期，每周期采集基于三轴加速度传感器的数 值，并按照标定后的参数，计算得到三个轴向的加速度ax，ay，az，5)对加速度ax，ay，az分 别进行滤波处理，得到axf，ayf，azf;6)计算（axf(k)-axf(k-l))2+(ayf(k