專利名稱：微型無線三維空間姿態采集裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型是涉及一種三維空間姿態采集裝置，特別涉及一種基于加速度傳感器、陀螺儀及磁強計的微型無線三維空間姿態采集裝置。
背景技術：
三維空間姿態捕捉在工業生產、國防武器裝備、人機交互等不同領域都有廣泛的應用，特別是在運動員輔助訓練和康復醫療中應用更為廣泛。目前三維空間姿態捕捉裝置主要是基于機械傳感器或基于光學設備；基于機械的姿態捕捉裝置通常是將一些很輕的骨骼狀支架縛在運動目標上，并在骨骼狀支架的關鍵節點加入特定的傳感器，然后將傳感器采集的數據輸出到電腦中進行去噪、平滑等后期處理，最后基于特定的姿態解算算法計算出目標的三維空間姿態；基于光學的的姿態捕捉裝置是把反光球或者發光二極管縛在運動目標的關鍵節點附近，形成一組MARK點，同時使用不同角度、不同水平面的一組攝相機來捕捉MARK點，利用相關計算機視覺算法，計算出MARK點的空間相對位置，并最終獲得運動目標的三維空間姿態。基于機械傳感器的三維空間姿態捕捉裝置的機械傳感器是與特定的骨骼狀支架機構配套的，特定的骨骼狀支架機構限定了運動目標的運動自由度，就是說這種裝置只能捕捉做特定動作的運動目標的三維空間姿態；基于光學的三維空間姿態捕捉裝置一般只能在在固定的場所使用，并且存在受容易環境光照影響、標點遮擋等問題。除此之夕卜，這兩種類型的三維空間姿態捕捉裝置具有共同的缺點:結構復雜，使用不方便，造價高，并且需要高性能的計算機作輔助處理。鑒于目前主要的三維空間姿態捕捉裝置存在的問題，為克服其存在的缺陷，開發具有高集成度、使用方便、實時性好、低功耗、低成本的三維空間姿態捕捉裝置具有非常重要的實際意義和較高的實際應用價值。
發明內容本實用新型的目的是提供一種基于加速度傳感器、陀螺儀及磁強計的微型無線三維空間姿態采集裝置。該裝置由數據采集發射器和數據接收器組成；把數據采集發射器分別固定到運動目標上或運動目標的待測部位，實時捕捉目標的三維空間姿態；數據接收器以標準的USB接口方式可與電腦等用戶處理終端相連，將在姿態數據同步傳輸到用戶處理終端中，以進行特定的分析研究。為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是:一種無線三維空間姿態采集裝置，由數據采集發射器和數據接收器組成；所述數據采集發射器包括一個發射器殼體、一個三維加速度傳感器、一個三軸磁強計、一個三維陀螺儀、發射器微處理器、發射器無線通訊單元和電源；所述的三維加速度傳感器、三軸磁強計、三維陀螺儀、發射器微處理器、發射器無線通訊單元及電源焊接在數據采集發射器PCB板上，發射器的信號通過無線通訊單元發射，PCB在發射器殼體內；所述的數據接收器包括一個接收器殼體、接收器無線通訊單元、接收器微處理器和USB接口電路，所述接收器無線通訊單元、接收器微處理器和USB接口電路焊接在接收器PCB上，PCB板固定在接收器殼體內，接收器微處理器通訊口與USB接口電路相連；數據采集發射器中的發射器無線通訊單元與數據接收器中的接收器無線通訊單元通過無線信號相互連接。所述數據采集發射器PCB上安裝有電源和無線通訊指示燈，發射器殼體上在電源和無線通訊指示燈位置有電源和無線通訊指示燈燈罩，用于透光；所述數據接收器PCB上安裝有無線通訊指示燈，接收器殼體上在無線通訊指示燈位置無線通訊指示燈燈罩，用于透光；所述電源及通訊指示燈是LED燈；所述發射器線路板上安裝有電源，電源為鋰聚合物電池。所述發射器和接收器采用的無線通訊單元和微處理器為CC430F5137 ;所述發射器和接收器采用的三軸加速度傳感器和三軸磁強計為LSM303 ;所述發射器和接收器采用的三軸陀螺儀為MU3050。所述的數據采集發射裝置，由MCU實時讀取9軸MEMS傳感器的數據，通過卡爾曼濾波，利用導航算法得出數據采集發射器的3種姿態角；并通過無線通訊單元發給數據接收器；數據接收器再通過USB傳給電腦里的用戶終端處理軟件，進行相關計算分析，展示并保存采集的數據及計算分析的結果。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細描述。


圖1是本實用新型示意圖；圖2是本實用新型的應用不例不意圖；圖3是本實用新型數據采集發射器的電路框圖；圖4是本實用新型數據接收器的電路框圖；圖2中，1、2、3、11、12、13、14、21、22、23、24為微型無線三維空間姿態數據采集發
射器；30為微型無線三維空間姿態數據接收器，31為電腦。
具體實施方式
實施例1:如
圖1所示，一種微型無線三維空間姿態數據采集發射裝置，包括:殼體1、PCB板2、MCU和無線通訊單元3、三維陀螺儀4、電源管理單元5、三維加速度計和三維磁強計6、LED燈7和電池8 ;所述主板設置在所述殼體內，所述MCU和無線通訊單元與該主板對應的總線連接；所述三維陀螺儀、三維加速度計和三維磁強計通過該主板上對應的總線與所述主控MCU相連接；所述的LED焊接在PCB板上；所述電源管理單元通過該PCB板上對應的總線與上述各電子元器件相連接；所述電池與所述電源管理單元的電源接口相連接；所述MCU內置有無線收發功能模塊；所述的三維加速度計和三維磁強計集成在一個芯片里面。一種微型無線三維空間姿態數據接收裝置，包括殼體11、PCB板12、USB接口 13、MCU和無線模塊14、LED燈15 ;所述主板設置在所述殼體內，所述MCU內置有無線收發功能模塊。本實施例的工作原理是:如圖2所示，在使用者的頭、胸、腰和四肢關節處固定微型無線三維空間姿態采集發射裝置，然后把微型無線三維空間姿態接收裝置通過USB線連接到電腦上；首先人體站立不動，對微型無線三維空間姿態采集發射裝置進行標定，然后開始數據采集；數據采集發射裝置內部的加速度傳感器、陀螺儀、磁強計開始采集原始數據，MCU對這些數據進行卡爾曼濾波，并進行導航運算，得出數據采集發射器所在節點的姿態角度值，然后通過無線的方式把各個數據采集發射裝置的空間姿態角數據傳送給數據接收裝置，數據接收裝置通過USB數據線把這些數據同步傳給電腦，電腦里運行終端分析軟件對這些數據進行計算，解析出人體的動作，保存并在電腦屏幕上實時展現；保存的數據可以用來進行后續的數據分析，進行科研應用，醫療指導等。實施例2:如
圖1所示，一種微型無線三維空間姿態數據采集發射裝置，包括:殼體1、PCB板2、MCU和無線通訊單元3、三維陀螺儀4、電源管理單元5、三維加速度計和三維磁強計6、LED燈7和電池8 ;所述主板設置在所述殼體內，所述主控MCU和無線通訊單元與該主板對應的總線連接；所述三維陀螺儀、三維加速度計和三維磁強計通過該主板上對應的總線與所述主控MCU相連接；LED等焊接在PCB板上；所述電源管理單元通過該主板上對應的總線與上述各電子元器件相連接；所述電池與所述電源管理單元的電源接口相連接；所述MCU內置有無線收發功能模塊；所述的三維加速度計和三維磁強計集成在一個芯片里面。一種微型無線三維空間姿態數據接收裝置，包括殼體11、PCB板12、USB接口 13、MCU和無線模塊14、LED燈15 ;所述主板設置在所述殼體內，所述MCU內置有無線收發功能模塊。本實施例的工作原理是:把微型無線三維空間姿態采集發射裝置固定到冰壺上，把微型無線三維空間姿態接收裝置通過USB線連接到電腦上；當冰壺運動員手持冰壺訓練時，數據采集發射裝置內部的加速度傳感器、陀螺儀、磁強計開始采集原始數據，MCU對這些數據進行卡爾曼濾波，并進行導航運算，得出數據采集發射器所在節點的姿態角度值、力口速度值和角加速度值，然后通過無線的方式把數據采集發射裝置的數據傳送給數據接收裝置，數據接收裝置通過USB數據線把這些數據同步傳給電腦，電腦里運行的終端處理軟件對這些數據進行計算，解析冰壺出手時及出手后的運動速度、角速度，保存并在電腦屏幕仿真出來。保存的數據可以用來以后做數據分析，用于冰壺運動員訓練指導。
權利要求1.微型無線三維空間姿態采集裝置，其特征在于:該采集裝置由數據采集發射器和數據接收器組成；所述數據采集發射器包括一個發射器殼體、一個三維加速度傳感器、一個三軸磁強計、一個三維陀螺儀、發射器微處理器、發射器無線通訊單元和電源；所述的三維加速度傳感器、三軸磁強計、三維陀螺儀、發射器微處理器、發射器無線通訊單元及電源焊接在數據采集發射器PCB板上，發射器的信號通過無線通訊單元發射，PCB在發射器殼體內；所述的數據接收器包括一個接收器殼體、接收器無線通訊單元、接收器微處理器和USB接口電路，所述接收器無線通訊單元、接收器微處理器和USB接口電路焊接在接收器PCB上，PCB板固定在接收器殼體內，接收器微處理器通訊口與USB接口電路相連；數據采集發射器中的發射器無線通訊單元與數據接收器中的接收器無線通訊單元通過無線信號相互連接。
2.根據權利要求1所述的微型無線三維空間姿態采集裝置，其特征在于:所述發射器線路板上安裝有電源和無線通訊指示燈，發射器殼體上在電源和無線通訊指示燈位置有電源和無線通訊指示燈燈罩，用于透光。
3.根據權利要求1所述的微型無線三維空間姿態采集裝置，其特征在于:所述數據接收器線路板上安裝有無線通訊指示燈，接收器殼體上在無線通訊指示燈位置無線通訊指示燈燈罩，用于透光。
4.根據權利要求2或3所述的微型無線三維空間姿態采集裝置，其特征在于:所述電源及通訊指示燈是LED燈。
5.根據權利要求1所述的微型無線三維空間姿態采集裝置，其特征在于:所述發射器線路板上安裝有電源，電源為鋰聚合物電池。
6.根據權利要求1所述的微型無線三維空間姿態采集裝置，其特征在于:所述發射器和接收器采用的無線通訊單元和微處理器為CC430F5137。
7.根據權利要求1所述的微型無線三維空間姿態采集裝置，其特征在于:所述發射器和接收器采用的三軸加速度傳感器和三軸磁強計為LSM303。
8.根據權利要求1所述的微型無線三維空間姿態采集裝置，其特征在于:所述發射器和接收器采用的三軸陀螺儀為MU3050。
專利摘要本實用新型涉及一種微型無線三維空間姿態采集裝置。該裝置由數據采集發射裝置和數據接收裝置組成；數據采集發射裝置包括三維加速度、三維陀螺儀及三維磁強計三種傳感器芯片、微處理器、無線通信和電源管理模塊；數據接收裝置包括無線通信模塊、微處理器及USB接口電路；數據采集發射裝置與數據接收裝置之間采用無線通信；三種傳感器所采集的數據經過集成在發射器中的姿態解算法處理獲得目標的三維空間姿態數據后，通過接收器以標準的USB通信方式輸入到計算機終端。本實用新型的主要特色是體積小、重量輕、操作簡單、測量速度快；可擴展，即時通過增加數據采集發射器同時采集多個目標空間姿態；無線通信克服了受線纜束縛的問題，讓使用更為方便。
文檔編號A61B5/103GK202908702SQ20122038991
公開日2013年5月1日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者李祥臣, 張明輝, 熊新炎, 魏傳民, 劉星 申請人:國家體育總局體育科學研究所