专利名称：用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法
所属领域 本发明涉及传感器应用技术和无线通信领域，特别是涉及体育科研方面的用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法。
背景技术：
现今，在各种竞技体育相继实现科学化训练的情况下，在专项训练实践和理论的基础上，逐渐形成了比较完善的“运动训练学”。运动技能是由系列化的专业动作所组成，而在完成每一个专业动作时，人体的各个运动环节都处于不同的运动状态。一直以来，一大批的专家学者通过各种方法和手段，对训练中人体各个运动环节进行各种分析，以期发现和总结人体运动环节的运动规律，为训练中运动技能掌握以及错误动作纠正提供有效的训练手段和新思路，为各种竞技体育的专项训练提供科学依据和理论指导。
传统的研究人体运动环节运动规律的方法，是用摄像机与电脑运动采集软件相结合，对人体的动作进行解析，从而获得运动员各个运动环节的三维位移和速度等信息，这种方法不能实时准确获得每一时间点人体运动环节的所有运动学参数。
北京市海淀区学院路37号北航电工电子中心申请的公开号为CN1312050A的发明专利，是一种分布式电磁人体运动检测装置，该装置由发生器、接收器、控制及信号处理硬件电路、主计算机及装置系统软件组成；其中该控制及信号处理硬件电路，包括有单片机、震荡器、发射电子开关、发射功放、接收电子开关、接收信号放大器、检波、接收信号调零、A/D转换、串口及电源组成；该主计算机，用于提供电源，并通过RS232异步通讯口与控制及信号处理硬件电路通讯，系统软件包括有单片机控制软件和主计算机软件。该装置利用微型无线发射和接收器检测人体运动肢体间的相对角度，使运动检测过程摆脱周围环节的影响，是检测人体运动状态的一个比较理想的方法。但该装置为单臂运动检测装置，不能同时获得人体各个运动环节的运动状态，也不能准确获得人体各个运动环节的运动学参数。而且，在使用该装置检测人体运动状态时，所有的发射器和接收器不是时间同步的，这样就不能保证主计算机重构人体运动过程的精确度，也就不能保证该装置的有效性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在工作时没有线缆连接的分布式人体运动环节加速度测试装置的方法，本发明方法能够实时、同步测量训练中人体运动环节的三维加速度信息，获得人体运动环节的运动学参数，通过对这些参数的分析，建立反映人体运动环节的运动规律模型，形成科学的评价指标体系。
本发明的技术方案是一种用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法，包括接收分置于不同测试环节处的三维加速度传感器的模拟量信号，其特征在于完成测试工作的步骤如下a、将采集器通过UART串口经UART串口线与主控制器电连接，采集器由与单片机电连接的三维加速度传感器、存储器、UART串口、状态指示灯、电池及电源管理电路构成，主控制器由与单片机电连接的天线、无线通信模块、存储器、UART串口、USB接口及接口电路、状态指示灯、电池及电源管理电路及电源开关构成；
所述的主控制器将预先设定的同步指令以及采集器的安装定位时间、安装的运动环节、采集时间片、采样速率送往采集器，使采集器之间达到时间同步，并向状态指示灯发送完成信号；b、断开主控制器与采集器的电连接，并在安装定位时间内将采集器分别置于人体的相应运动环节处；采集器在采集时间片内按照采样速率采集三维加速度信息，并将模拟量转换成数字量后保存；c、终结测试后，将所述的采集器与主控制器电连接，主控制器控制各个采集器内的相应管脚信号，依次读取六个采集器中保存的信息，并对读入的信息进行标记；主控制器将处理好的信息送往上位计算机，利用分析软件分析人体各个运动环节的运动学参数。
所说的采集器安装定位时间为1分钟、采集时间片为2分钟、采样速率为50次/秒。
所说的主控制器将处理好的信息送往上位计算机的方法，或是通过无线通信模块无线发送，或是主控制器与上位计算机相连接后有线输送，同样主控制器也能够经这两种方法接收上位计算机发出的指令信息。
所说的用于布式人体运动环节加速度测试装置的方法或用来测试人体的表面肌电，或用来测试人体的各个关节角度。
所说的用于布式人体运动环节加速度测试装置的方法或能用到各项陆地项目的训练中，或能用到包括游泳和跳水在内的各项水上运动的训练中。
有益效果北京市海淀区学院路37号北航电工电子中心申请的公开号为CN1312050A的发明专利，是一种分布式电磁人体运动检测装置，该装置由发生器、接收器、控制及信号处理硬件电路、主计算机及装置系统软件组成；其中该控制及信号处理硬件电路，包括有单片机、震荡器、发射电子开关、发射功放、接收电子开关、接收信号放大器、检波、接收信号调零、A/D转换、串口及电源组成；该主计算机，用于提供电源，并通过RS232异步通讯口与控制及信号处理硬件电路通讯，系统软件包括有单片机控制软件和主计算机软件。该装置利用微型无线发射和接收器检测人体运动肢体间的相对角度，使运动检测过程摆脱周围环节的影响，是检测人体运动状态的一个比较理想的方法。但该装置为单臂运动检测装置，不能同时获得人体各个运动环节的运动状态，也不能准确获得人体各个运动环节的运动学参数。而且，在使用该装置检测人体运动状态时，所有的发射器和接收器不是时间同步的，这样就不能保证主计算机重构人体运动过程的精确度，也就不能保证该装置的有效性。
相当于现有技术有益效果是其一，在本发明方法中，所述的主控制器将预先设定的同步指令以及采集器的安装定位时间、安装的运动环节、采集时间片、采样速率送往采集器，使采集器间时间同步。由于采集器在时间上的同步，这就使得本发明在同一时间点，能够同时获得人体各个运动环节的三维加速度信息，这样在利用计算机分析结果时就非常容易，且能保证计算机分析结果的精确度，从而有助于教练员和科研人员发现和总结人体运动的本质规律，保证了本发明装置的有效性。
其二，在本发明方法中，所说的采集器安装定位时间为1分钟、采集时间片为2分钟、采样速率为50次/秒。根据实际情况的需要，安装定位时间、采集时间片、采样速率能够自行设定，这样就扩大了本发明方法的应用范围，能将本发明方法用到各项竞技体育的测试中去，从而保证了本发明方法的实用性。
其三，首次提出了一种用于分布式的人体运动环节加速度测试装置的方法，采用了使多个采集器在时间上同步的设计思想，从而使得本发明方法不仅能够用来测试人体运动环节的加速度信息，也能够用来测试人体的表面肌电、关节角度等信息。同时本发明方法能够用到各项陆地项目的训练中，也能够用到包括游泳和跳水在内的各项水上运动的训练中，从而为各项竞技体育的科学化训练提供了有力的工具和方法。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是分布式人体运动环节加速度测试装置的结构示意图；图2是采集器的电路方框图；图3是主控制器的电路方框图；图4是主控制器和采集器的工作流程图。
具体实施例方式
参见图1、图2、图3。图1中，1主控制器；2天线；3无线通信模块；4UART串口线；5采集器；6UART串口；7USB接口；8状态指示灯；9电源开关。
在图1中，该装置包括主控制器1和与其电连接的一只以上的采集器5；采集器5内置有三维加速度传感器和单片机，并置有与所述的三维加速度传感器和单片机相互电连接的存储器、UART串口6、状态指示灯、电池及电源管理电路。
采集器5在开始工作前，与主控制器1通过UART串口6经UART串口线4电连接，用于接收同步指令；采集器5工作时，多个采集器5被固定于人体的各个运动环节处，用来采集人体各个运动环节的三维加速度信息，各个采集器5独立工作，相互间没有用线缆相连接；采集器5在结束工作后，亦与所述的主控制器1通过UART串口6经UART串口线4电连接，用于把采集的信息读入主控制器1。
主控制器1置有单片机，并置有与单片机相互电连接的天线2、无线通信模块3、存储器、UART串口6、USB接口7及接口电路、状态指示灯8、电池及电源管理电路及电源开关9，通过USB接口7将主控制器1从采集器5读取的信息载入上位计算机。
图2是采集器5的电路方框图，包括相互电连接的用于完成自动控制程序和进行数据处理的单片机MSP430F149，单片机有用于数字量和模拟量转换的AD转换器；用于存储人体各个运动环节加速度信息的存储器；用于将采集的人体运动环节加速度信息读入主控制器1的UART串口6；用于显示采集器5工作状态的状态指示灯；用于实时采集人体各个运动环节三维加速度信息的三维加速度传感器；用于给采集器5各个模块供电的电池及电源管理电路。
图3是主控制器1的电路方框图，包括相互电连接的用于完成自动控制程序和进行数据出来的单片机MSP430F149，单片机有用于数字量和模拟量转换的AD转换器；用于存储来自采集器5采集的人体运动环节加速度信息的存储器；用于与采集器5相连接，读取采集器5所采集信息的UART串口6；用于显示主控制器1工作状态的状态指示灯8；用于与计算机串口相连接，把人体各个运动环节加速度信息载入上位计算机的USB接口7及接口电路；用于向上位计算机传送数据、接收计算机发出指令信息的无线通信模块3；用于给主控制器1各个模块供电的电池及电源管理电路。
图4是主控制器1和采集器5的工作流程图，其工作流程如下把主控制器1通过UART串口6和采集器5相连接后，打开主控制器1和采集器5的电源开关(步骤100)，主控制器1和采集器5中的MSP430F149单片机分别对主控制器1和采集器5预置初始值，即设定初始工作状态(步骤110)。接着，在步骤120中，主控制器1将预先设定的同步指令以及采集器5的安装定位时间、安装的运动环节、采集时间片、采样速率等送往采集器5，然后主控制器1控制采集器5作同步处理，使采集器5间达到时间同步，并向状态指示灯8发送完成信号。
在同步处理完后，断开主控制器1与采集器5的电连接，紧接着采集器5的内部时钟就开始计时(步骤130)。之后，于步骤140中，在采集器5的安装定位时间内，把各个采集器5分别固定于人体相应的运动环节处，同时采集器5判断是否已过1分钟？1分钟过后，采集器5就开始工作，在采集时间片内按照采样速率采集人体各个运动环节的三维加速度信息(步骤150)。采集器5采集到的三维加速度信息为模拟量，采集器5内置的MSP430F149单片机把模拟量转换成数字量，并对采集到的信息进行压缩、打包等一系列的处理(步骤160)。然后MSP430F149单片机将处理好的信息送到存储器中存储(步骤170)。由于设定采集器5的采集时间片为2分钟，采样频率为50次/秒，所以，接着采集器5就判断是否已过2分钟(步骤180)？2分钟后，采集器5停止采集(步骤190)。根据实际情况的需要，采集器5的安装定位时间、采集时间片、采样速率等都能够通过软件自行设定。
终结测试后，于步骤200中，再次将采集器5通过UART串口6与中心控制器1电连接，主控制器1控制各个采集器5内的相应管脚信号，依次读取6个采集器5中保存的信息，并对读入的信息进行标记。之后，主控制器1将处理好的人体各个运动环节的三维加速度信息送往上位计算机(步骤210)。其中，主控制器1将处理好的人体各个运动环节的三维加速度信息送往上位计算机的方法，可以是通过无线通信模块3经天线2无线发送，也可以是主控制器1通过USB接口7与上位计算机相连接后，经接口线有线输送，同样主控制器1也能够经由这两种方法接收上位计算机发出的指令信息。接下来，就可以利用计算机分析人体各个运动环节的运动学参数，以助于教练员和科研人员发现和总结人体运动的本质规律，为各项竞技体育的科学训练提供基础理论依据和关键技术支撑。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法，包括接收分置于不同测试环节处的三维加速度传感器的模拟量信号，其特征在于完成测试工作的步骤如下a、将采集器(5)通过UART串口(6)经UART串口线(4)与主控制器(1)电连接，采集器(5)由与单片机电连接的三维加速度传感器、存储器、UART串口(6)、状态指示灯、电池及电源管理电路构成，主控制器(1)由与单片机电连接的天线(2)、无线通信模块(3)、存储器、UART串口(6)、USB接口(7)及接口电路、状态指示灯(8)、电池及电源管理电路及电源开关(9)构成；所述的主控制器(1)将预先设定的同步指令以及采集器(5)的安装定位时间、安装的运动环节、采集时间片、采样速率送往采集器(5)，使采集器(5)之间达到时间同步，并向状态指示灯(8)发送完成信号；b、断开主控制器(1)与采集器(5)的电连接，并在安装定位时间内将采集器(5)分别置于人体的相应运动环节处；采集器(5)在采集时间片内按照采样速率采集三维加速度信息，并将模拟量转换成数字量后保存；c、终结测试后，将所述的采集器(5)与主控制器(1)电连接，主控制器(1)控制各个采集器(5)内的相应管脚信号，依次读取6个采集器(5)中保存的信息，并对读入的信息进行标记；主控制器(1)将处理好的信息送往上位计算机，利用分析软件分析人体各个运动环节的运动学参数。
2.根据权利要求1所述的用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法，其特征是所说的采集器(5)的安装定位时间为1分钟、采集时间片为2分钟、采样速率为50次/秒。
3.根据权利要求1所述的用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法，其特征是所说的主控制器(1)将处理好的信息送往上位计算机的方法，或是通过无线通信模块(3)无线发送，或是主控制器(1)与上位计算机相连接后有线输送，同样主控制器(1)也能够经这两种方法接收上位计算机发出的指令信息。
4.根据权利要求1所述的用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法，其特征是所说的用于布式人体运动环节加速度测试装置的方法或用来测试人体的表面肌电，或用来测试人体的各个关节角度。
5.根据权利要求1所述的用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法，其特征是所说的用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法或能用到各项陆地项目的训练中，或能用到包括游泳和跳水在内的各项水上运动的训练中。
全文摘要
本发明涉及用于分布式人体运动环节加速度测试装置的方法，该方法包括接收分置于不同测试环节处的三维加速度传感器的模拟量信号，首先将采集器与主控制器电连接，主控制器将预先设定的同步指令等信息送往采集器，使采集器之间达到时间同步。然后断开采集器与主控制器的电连接，各个采集器独立工作，采集人体各个运动环节的加速度信息。最后再连接采集器与主控制器，采集器把信息读入主控制器后再载入上位计算机。本发明方法能够实时、同步的采集人体各个运动环节的三维加速度信息，获得人体运动环节的运动学参数，通过对这些参数的分析，建立反映人体运动环节的运动规律模型，形成科学的评价指标体系。
文档编号G01P15/00GK1907222SQ20061008818
公开日2007年2月7日 申请日期2006年6月30日 优先权日2006年6月30日
发明者马祖长, 孙怡宁, 何云珍, 蔡林沁, 周旭, 杨先军, 杨新刚 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院