基于加速度传感器的运动信息采集系统设计

基于加速度传感器的运动信息采集系统设计摘要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，人们对运动的研究日益深入。本文以运动生物力学理论为基础，对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。在对人体结构及运动的特点进行了介绍和总结的基础上，为了便于运动研究，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，从而对运动姿态、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，以单片机、三轴加速度计ADXL330为核心，可实现多传感器网络节点的信息采集及数据分析。仿真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，运动信息采集，加速度传感器，运动测量DesignofMotionInformationCollectionSystemBasedonAccelerationSensorABSTRACTHumanhasalwayspaidbroadattentiontobodymotionrelatingclosetohumanhealth.Withthedevelopmentofmotionbiomechanicsandanthropometry,peoplehaveincreasinglydeeplystudiedhumanbodymotion.Thepaperfocusesonthemeasurementofbodymotionparametersandanalysismethodofbodymotionbasedonthetheoryofmotionbiomechanics.Thecontentsinvolvethestudyontherelationshipbetweenparametersofmotionbiomechanics,theanalysisofthelawofbodymotionbymeasuringmotionbiomechanicsparameterstoprovidetheoreticalguidanceforrecognitionofhumangesture,physicaltraining,andsoon.Humanstructureandcharacteristicsofbodymotionareanalyzedandsummarized,onthebasisofwhichrodmodelandcoordinatesystemofhumanbodyarebuilttoprovideconvenienceforthestudyofbodymotion.Themethodofmeasuringbodymotionwithaccelerationsensorispresentedwiththeanalysisofcommonmeasurementmethodofbodymotionparameters.Themeasurementofextremityisperformedbyaccelerationsensor;othermotionparametersaresolvedbythemathematicalrelationshipbetweenaccelerationparameterandvelocity,displacement,etc..Thereby,motiongestureandactiontraceofhumanbodycanbeanalyzed.Asystemwhichconsistsofsignalcollectionunitanddataprocessingunitisdevelopedtocompletecollectionanddataanalysisfromthemotioninformationatmost5sensornetworknodesusingmsp430andADXL330.Theresultsshowthatcollectingandanalyzingmotioninformationofhumanbodybythesystemisafeasiblemethod.Theanalysisofsimplebodymotionusingaccelerationparameterisaconvenientandfeasiblemethod.Butmoreinformationisrequiredtobeanalyzedsyntheticallyinthecomplexmotion.Therefore,itisnecessaryforthestudyofbodymotiontosynthesizeavarietyofmethodsandobtainasmuchinformationaspossible,whichmakestheanalysisofbodymotionmorescientificandrational.KeyWords：Motionbiomechanics,Collectionofmotioninformation,Accelerationsensor,MotionMeasuremen目录1绪论................................................................................................................................11.1课题研究的背景.........................................................................................................11.2国内外研究现状.........................................................................................................11.3研究意义.....................................................................................................................22运动信息采集与分析....................................................................................................42.1运动生物力学的基本运动参数.................................................................................62.2运动信息采集的方法.................................................................................................72.2.1光学测量方法..........................................................................................................72.2.2非电量电测法..........................................................................................................82.2.3肌电信号测量法......................................................................................................82.3基于加速度传感器的运动信息采集与分析.............................................................83运动信息采集系统的硬件设计..................................................................................123.1系统总体设计...........................................................................................................123.2信号采集单元电路设计...........................................................................................123.3信号处理单元设计....................................................................................................163.3.1主控制器的选型....................................................................................................173.3.2外围电路设计........................................................................................................173.3.3输入输出电路........................................................................................................183.3.4现场总线通信电路设计........................................................................................183.3.5现场总线供电电路设计........................................................................................193.3.6现场总线供电分析................................................................................................194系统软件设计..............................................................................................................234.1信号处理单元程序设计...........................................................................