基于无线通信技术的人体运动捕捉系统研究与设计

论文摘要

运动捕捉技术是指通过传感设备记录人体运动数据，经过计算机处理并实时动态显示。它涉及数据采集，空间物体的定位、加速度和角速度测量，数据传输、处理及显示等。运动捕捉技术凭借其优势，广泛应用在动作分析、电影特效、医学、机器人全自主控制等领域。在人体相关应用领域，它是一项重要的技术。它能实时、精确地捕捉到人体在空间的运动姿态，给研究人员提供科学、可靠的数据。这项技术促进了很多行业的发展，带来革命性的变革。ARM嵌入式微处理器集成多项功能，代码执行和数据处理能力强。其中Cortex-M3LPC17XX系列具有操作简单和功能强大的特点。本论文利用LPC17XX作为处理器来完成对系统的控制及执行操作。随着各项技术的发展，芯片走向高度集成化。这促进了人体运动捕捉设备向体积小、功耗低、实时性强的方向发展。同时，无线传感器技术的出现，将给待测试人员留有更大的活动空间，使得人体运动捕捉仪器更易佩戴，更易走进人们的生活。论文首先介绍了课题的研究背景、目的及意义，并分析了目前商用运动捕捉系统的实现方式及其优缺点，其次分析了基于微传感器的人体运动捕捉系统所涉及的相关原理，结合人机工程学给出了人体各关节运动的形式、范围及自由度数目，描述了加速度、陀螺仪及磁强计传感器的工作原理，推导出坐标系变换矩阵及4种坐标变换相关的捷联导航算法并进行优缺点对比，最终选用四元数法来实现姿态解算，以及概述了蓝牙技术的特点等。再次，根据系统设计要求选择合适传感器，完成了软硬件设计。硬件设计采用AltuimDesigner软件绘制PCB。最后对各模块进行测试工作，主要包括开发板的调试、蓝牙通信的测试、传感器数据的采集以及在MATLAB中显示波形等。论文主要研究基于MEMS传感器组成的人体运动捕捉系统节点设计和蓝牙无线传输。本文设计了一套采用无线传输技术的人体运动捕捉开发板，解决了目前有线连接方式带来的局限性。测试结果表明，本论文所设计的开发板，在人体运动时可以比较准确地获取关节真实运动的姿态数据，并实现无线传输。同时它也可应用到多种场合并进行多次开发，对今后研究人体运动捕捉技术有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究内容和章节安排
• 2. 人体运动捕捉系统的相关原理
• 2.1 人体测量及自由度的相关知识
• 2.2 人体运动捕捉系统中 MEMS 器件
• 2.2.1 MEMS 传感器介绍
• 2.2.2 加速度传感器
• 2.2.3 陀螺仪
• 2.2.4 磁强计
• 2.3 坐标系简介
• 2.3.1 常用坐标系
• 2.3.2 坐标系变换
• 2.4 捷联导航算法研究
• 2.4.1 捷联算法概述
• 2.4.2 方向余弦法
• 2.4.3 欧拉角法
• 2.4.4 四元数法
• 2.4.5 等效旋转矢量法
• 2.4.6 姿态矩阵
• 2.4.7 四元数
• 2.5 互补滤波器
• 2.6 蓝牙技术
• 2.6.1 蓝牙技术简述
• 2.6.2 蓝牙技术的特点
• 2.6.3 蓝牙网络拓扑结构及协议
• 2.7 本章小结
• 3. 系统硬件设计
• 3.1 微处理器
• 3.1.1 JTAG 接口
• 3.1.2 系统时钟
• 3.1.3 电源电路
• 3.2 加速度传感器 ADXL345
• 3.3 陀螺仪 IMU3000
• 3.4 磁强计 HMC5883
• 3.5 存储模块
• 3.6 通信模块
• 3.7 硬件 PCB 设计
• 3.8 本章小结
• 4. 系统软件设计
• 4.1 ARM 开发工具
• 4.2 系统软件总流程图
• 4.3 I2C 总线协议
• 4.4 串口通信
• 4.5 ADXL345 软件设计
• 4.6 HMC5883 软件设计
• 4.7 IMU3000 软件设计
• 4.8 24AA32A 软件设计
• 4.9 基于互补滤波器的数据融合
• 4.10 本章小结
• 5. 实验测试结果
• 5.1 硬件实验平台
• 5.2 蓝牙通信测试
• 5.3 本章小结
• 6. 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢