微型无线三维空间姿态采集装置.pdf

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1、(10)授权公告号 CN 202908702 U (45)授权公告日 2013.05.01 CN 202908702 U *CN202908702U* (21)申请号 201220389912.9 (22)申请日 2012.08.08 A61B 5/103(2006.01) G01P 3/00(2006.01) (73)专利权人 国家体育总局体育科学研究所 地址 100061 北京市东城区体育馆路 11 号 (72)发明人 李祥臣 张明辉 熊新炎 魏传民 刘星 (54) 实用新型名称 微型无线三维空间姿态采集装置 (57) 摘要 本实用新型涉及一种微型无线三维空间姿态 采集装置。该装置由数据采。

2、集发射装置和数据 接收装置组成 ； 数据采集发射装置包括三维加速 度、 三维陀螺仪及三维磁强计三种传感器芯片、 微 处理器、 无线通信和电源管理模块 ； 数据接收装 置包括无线通信模块、 微处理器及 USB 接口电路 ； 数据采集发射装置与数据接收装置之间采用无线 通信 ； 三种传感器所采集的数据经过集成在发射 器中的姿态解算法处理获得目标的三维空间姿态 数据后， 通过接收器以标准的 USB 通信方式输入 到计算机终端。本实用新型的主要特色是 ： 体积 小、 重量轻、 操作简单、 测量速度快 ； 可扩展， 即时 通过增加数据采集发射器同时采集多个目标空间 姿态 ； 无线通信克服了受线缆束缚的问。

3、题， 让使 用更为方便。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 (10)授权公告号 CN 202908702 U CN 202908702 U *CN202908702U* 1/1 页 2 1. 微型无线三维空间姿态采集装置， 其特征在于 ： 该采集装置由数据采集发射器和数 据接收器组成 ； 所述数据采集发射器包括一个发射器壳体、 一个三维加速度传感器、 一个三 轴磁强计、 一个三维陀螺仪、 发射器微处理器、 发射器无线通讯单元和电源 ； 所述的三维加 速度传感。

4、器、 三轴磁强计、 三维陀螺仪、 发射器微处理器、 发射器无线通讯单元及电源焊接 在数据采集发射器 PCB 板上， 发射器的信号通过无线通讯单元发射， PCB 在发射器壳体内 ； 所述的数据接收器包括一个接收器壳体、 接收器无线通讯单元、 接收器微处理器和 USB 接 口电路， 所述接收器无线通讯单元、 接收器微处理器和 USB 接口电路焊接在接收器 PCB 上， PCB 板固定在接收器壳体内， 接收器微处理器通讯口与 USB 接口电路相连 ； 数据采集发射器 中的发射器无线通讯单元与数据接收器中的接收器无线通讯单元通过无线信号相互连接。 2. 根据权利要求 1 所述的微型无线三维空间姿态采集。

5、装置， 其特征在于 ： 所述发射器 线路板上安装有电源和无线通讯指示灯， 发射器壳体上在电源和无线通讯指示灯位置有电 源和无线通讯指示灯灯罩， 用于透光。 3. 根据权利要求 1 所述的微型无线三维空间姿态采集装置， 其特征在于 ： 所述数据接 收器线路板上安装有无线通讯指示灯， 接收器壳体上在无线通讯指示灯位置无线通讯指示 灯灯罩， 用于透光。 4. 根据权利要求 2 或 3 所述的微型无线三维空间姿态采集装置， 其特征在于 ： 所述电 源及通讯指示灯是 LED 灯。 5. 根据权利要求 1 所述的微型无线三维空间姿态采集装置， 其特征在于 ： 所述发射器 线路板上安装有电源， 电源为锂聚合。

6、物电池。 6. 根据权利要求 1 所述的微型无线三维空间姿态采集装置， 其特征在于 ： 所述发射器 和接收器采用的无线通讯单元和微处理器为 CC430F5137。 7. 根据权利要求 1 所述的微型无线三维空间姿态采集装置， 其特征在于 ： 所述发射器 和接收器采用的三轴加速度传感器和三轴磁强计为 LSM303。 8. 根据权利要求 1 所述的微型无线三维空间姿态采集装置， 其特征在于 ： 所述发射器 和接收器采用的三轴陀螺仪为 IMU3050。 权 利 要 求 书 CN 202908702 U 1/3 页 3 微型无线三维空间姿态采集装置 技术领域 0001 本实用新型是涉及一种三维空间姿态。

7、采集装置， 特别涉及一种基于加速度传感 器、 陀螺仪及磁强计的微型无线三维空间姿态采集装置。 背景技术 0002 三维空间姿态捕捉在工业生产、 国防武器装备、 人机交互等不同领域都有广泛的 应用， 特别是在运动员辅助训练和康复医疗中应用更为广泛。目前三维空间姿态捕捉装置 主要是基于机械传感器或基于光学设备 ； 基于机械的姿态捕捉装置通常是将一些很轻的骨 骼状支架缚在运动目标上， 并在骨骼状支架的关键节点加入特定的传感器， 然后将传感器 采集的数据输出到电脑中进行去噪、 平滑等后期处理， 最后基于特定的姿态解算算法计算 出目标的三维空间姿态 ； 基于光学的的姿态捕捉装置是把反光球或者发光二极管缚。

8、在运动 目标的关键节点附近， 形成一组 MARK 点， 同时使用不同角度、 不同水平面的一组摄相机来 捕捉 MARK 点， 利用相关计算机视觉算法， 计算出 MARK 点的空间相对位置， 并最终获得运动 目标的三维空间姿态。 基于机械传感器的三维空间姿态捕捉装置的机械传感器是与特定的 骨骼状支架机构配套的， 特定的骨骼状支架机构限定了运动目标的运动自由度， 就是说这 种装置只能捕捉做特定动作的运动目标的三维空间姿态 ； 基于光学的三维空间姿态捕捉装 置一般只能在在固定的场所使用， 并且存在受容易环境光照影响、 标点遮挡等问题。 除此之 外， 这两种类型的三维空间姿态捕捉装置具有共同的缺点 ： 。

9、结构复杂， 使用不方便， 造价高， 并且需要高性能的计算机作辅助处理。 0003 鉴于目前主要的三维空间姿态捕捉装置存在的问题， 为克服其存在的缺陷， 开发 具有高集成度、 使用方便、 实时性好、 低功耗、 低成本的三维空间姿态捕捉装置具有非常重 要的实际意义和较高的实际应用价值。 发明内容 0004 本实用新型的目的是提供一种基于加速度传感器、 陀螺仪及磁强计的微型无线三 维空间姿态采集装置。该装置由数据采集发射器和数据接收器组成 ； 把数据采集发射器分 别固定到运动目标上或运动目标的待测部位， 实时捕捉目标的三维空间姿态 ； 数据接收器 以标准的 USB 接口方式可与电脑等用户处理终端相连。

10、， 将在姿态数据同步传输到用户处理 终端中， 以进行特定的分析研究。 0005 为了实现上述目的， 本实用新型的技术方案是 ： 0006 一种无线三维空间姿态采集装置， 由数据采集发射器和数据接收器组成 ； 所述数 据采集发射器包括一个发射器壳体、 一个三维加速度传感器、 一个三轴磁强计、 一个三维陀 螺仪、 发射器微处理器、 发射器无线通讯单元和电源 ； 所述的三维加速度传感器、 三轴磁强 计、 三维陀螺仪、 发射器微处理器、 发射器无线通讯单元及电源焊接在数据采集发射器 PCB 板上， 发射器的信号通过无线通讯单元发射， PCB 在发射器壳体内 ； 所述的数据接收器包括 一个接收器壳体、 。

11、接收器无线通讯单元、 接收器微处理器和 USB 接口电路， 所述接收器无线 说 明 书 CN 202908702 U 2/3 页 4 通讯单元、 接收器微处理器和 USB 接口电路焊接在接收器 PCB 上， PCB 板固定在接收器壳体 内， 接收器微处理器通讯口与 USB 接口电路相连 ； 数据采集发射器中的发射器无线通讯单 元与数据接收器中的接收器无线通讯单元通过无线信号相互连接。所述数据采集发射器 PCB 上安装有电源和无线通讯指示灯， 发射器壳体上在电源和无线通讯指示灯位置有电源 和无线通讯指示灯灯罩， 用于透光 ； 所述数据接收器 PCB 上安装有无线通讯指示灯， 接收器 壳体上在无线。

12、通讯指示灯位置无线通讯指示灯灯罩， 用于透光 ； 所述电源及通讯指示灯是 LED 灯 ； 所述发射器线路板上安装有电源， 电源为锂聚合物电池。 0007 所述发射器和接收器采用的无线通讯单元和微处理器为 CC430F5137 ； 所述发射 器和接收器采用的三轴加速度传感器和三轴磁强计为 LSM303 ； 所述发射器和接收器采用 的三轴陀螺仪为 IMU3050。 0008 所述的数据采集发射装置， 由 MCU 实时读取 9 轴 MEMS 传感器的数据， 通过 卡尔曼 滤波， 利用导航算法得出数据采集发射器的 3 种姿态角 ； 并通过无线通讯单元发给数据接 收器 ； 数据接收器再通过 USB 传给。

13、电脑里的用户终端处理软件， 进行相关计算分析， 展示并 保存采集的数据及计算分析的结果。 附图说明 0009 下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细描述。 0010 图 1 是本实用新型示意图 ； 0011 图 2 是本实用新型的应用示例示意图 ； 0012 图 3 是本实用新型数据采集发射器的电路框图 ； 0013 图 4 是本实用新型数据接收器的电路框图 ； 0014 图 2 中， 1、 2、 3、 11、 12、 13、 14、 21、 22、 23、 24 为微型无线三维空间姿态数据采集发 射器 ； 30 为微型无线三维空间姿态数据接收器， 31 为电脑。 具体实施方式 0015 实。

14、施例1 ： 如图1所示， 一种微型无线三维空间姿态数据采集发射装置， 包括 ： 壳体 1、 PCB 板 2、 MCU 和无线通讯单元 3、 三维陀螺仪 4、 电源管理单元 5、 三维加速度计和三维磁 强计 6、 LED 灯 7 和电池 8 ； 所述主板设置在所述壳体内， 所述 MCU 和无线通讯单元与该主板 对应的总线连接 ； 所述三维陀螺仪、 三维加速度计和三维磁强计通过该主板上对应的总线 与所述主控MCU相连接 ； 所述的LED焊接在PCB板上 ； 所述电源管理单元通过该PCB板上对 应的总线与上述各电子元器件相连接 ； 所述电池与所述电源管理单元的电源接口相连接 ； 所述 MCU 内置有。

15、无线收发功能模块 ； 所述的三维加速度计和三维磁强计集成在一个芯片里 面。 0016 一种微型无线三维空间姿态数据接收装置， 包括壳体 11、 PCB 板 12、 USB 接口 13、 MCU 和无线模块 14、 LED 灯 15 ； 所述主板设置在所述壳体内， 所述 MCU 内置有无线收发功能 模块。 0017 本实施例的工作原理是 ： 如图 2 所示， 在使用者的头、 胸、 腰和四肢关节处固定微 型无线三维空间姿态采集发射装置， 然后把微型无线三维空间姿态接收装置通过 USB 线连 接到电脑上 ； 首先人体站立不动， 对微型无线三维空间姿态采集发射装置进行标定， 然后开 说 明 书 CN 。

16、202908702 U 3/3 页 5 始数据采集 ； 数据采集发射装置内部的加速度传感器、 陀螺仪、 磁强计开始采集原始数据， MCU 对这些数据进行卡尔曼滤波， 并进行导航运算， 得出数据采集发射器所在节点的姿态角 度值， 然后通过无线的方式把各个数据采集发射装置的空间姿态角数据传送给数据接收装 置， 数据接收装置通过 USB 数据线把这些数据同步传给电脑， 电脑里运行终端分析软件对 这些数据进行计算， 解析出人体的动作， 保存并在电脑屏幕上实时展现 ； 保存的数据可以用 来进行后续的数据分析， 进行科研应用， 医疗指导等。 0018 实施例2 ： 如图1所示， 一种微型无线三维空间姿态数。

17、据采集发射装置， 包括 ： 壳体 1、 PCB 板 2、 MCU 和无线通讯单元 3、 三维陀螺仪 4、 电源管理单元 5、 三维加速度计和三维磁 强计 6、 LED 灯 7 和电池 8 ； 所述主板设置在所述壳体内， 所述主控 MCU 和无线通讯单元与该 主板对应的总线连接 ； 所述三维陀螺仪、 三维加速度计和三维磁强计通过该主板上对应的 总线与所述主控 MCU 相连接 ； LED 等焊接在 PCB 板上 ； 所述电源管理单元通过该主板上对 应的总线与上述各电子元器件相连接 ； 所述电池与所述电源管理单元的电源接口相连接 ； 所述 MCU 内置有无线收发功能模块 ； 所述的三维加速度计和三维。

18、磁强计集成在一个芯片里 面。 0019 一种微型无线三维空间姿态数据接收装置， 包括壳体 11、 PCB 板 12、 USB 接口 13、 MCU 和无线模块 14、 LED 灯 15 ； 所述主板设置在所述壳体内， 所述 MCU 内置有无线收发功能 模块。 0020 本实施例的工作原理是 ： 把微型无线三维空间姿态采集发射装置固定到冰壶上， 把微型无线三维空间姿态接收装置通过 USB 线连接到电脑上 ； 当冰壶运动员手持冰壶训练 时， 数据采集发射装置内部的加速度传感器、 陀螺仪、 磁强计开始采集原始数据， MCU 对这 些数据进行卡尔曼滤波， 并进行导航运算， 得出数据采集发射器所在节点的。

19、姿态角度值、 加 速度值和角加速度值， 然后通过无线的方式把数据采集发射装置的数据传送给数据接收装 置， 数据接收装置通过 USB 数据线把这些数据同步传给电脑， 电脑里运行的终端处理软件 对这些数据进行计算， 解析冰壶出手时及出手后的运动速度、 角速度， 保存并在电脑屏幕仿 真出来。保存的数据可以用来以后做数据分析， 用于冰壶运动员训练指导。 说 明 书 CN 202908702 U 1/3 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 202908702 U 2/3 页 7 图 3 说 明 书 附 图 CN 202908702 U 3/3 页 8 图 4 说 明 书 附 图 CN 202908702 U 。