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中图分类号：G862 文献标识：A 文章编号：1009-9328（2016）08-040-01
摘 要 为满足速度滑冰滑行技术动作特征研究的需要，研制一套基于六轴运动传感器的速滑动作捕捉系统。该系统主要由传感器、数采系统以及数据分析软件组成，通过三轴陀螺仪、三轴加速度传感器等采样仪器，对运动员滑行过程中相关运动学参数进行实时无线采集，结合同步跟踪视频，对速滑运动员不同阶段的滑行技术特征进行分析，发现滑行技术方面存在的问题，为今后开展速度滑冰三维运动人体建模提供驱动数据。
关键词 速度滑冰 陀螺仪 加速度传感器
一、引言
速度滑冰作为竞速类项目，对速滑运动员冰上滑行全程技术动作特征的获取、分析与优化极其重要。传感器检测方法能够进行全程的监测，但是由于传感器的工作原理，只有合适的降噪处理才能获取稳定、准确的数据，因此，对传感器检测方案进行优化才能更适合于速度滑冰运动。设计并开发一套MEMS六轴运动传感器系统，最大程度的减轻传感器对运动员滑行动作的干扰，在信号降噪、信号融合、姿态解算等方面的优化处理，使整套系统更为适应速度滑冰滑行动作特征的采集，更为准确的还原速滑运动员技术特点，为速滑项目技术改进提供科学依据。
二、研究内容
（一）数字信号处理方法的研究。对受测对象姿态的测量通常采用加速度计与陀螺仪采集瞬时加速度和角速度信息，对其进行积分运算，获取方向角、俯仰角等姿态数据。但在实际使用过程中，存在传感器零位漂移、随机干扰等因素影响，需要对系统原始采样信号进行滤波处理。通过硬件或软件降噪的方式进行数字信号的处理，软件降噪采用数字滤波（如低通滤波等）和卡尔曼滤波等技术，保障采样信息的准确还原。
（二）无线传输方式的研究。速滑项目存在运动范围大、场馆封闭，对无线传输方式进行研究。主要对IEEE802.11无线局域网、ZIGBEE、蓝牙等现有无线传输技术进行研究，确保系统无线传输模块在传输距离与速率、信号稳定性、硬件体积等达到均衡化同时满足速滑专项特点的需要。
（三）数据采集与处理速度的研究。本系统需要满足多通道同步采集与处理分析功能，即在上位机接收下位机传输数据的同时对数据进行快速解算，需要在较短时间内向用户提供运动员动作姿态信息，需要对上位机处理分析程序采用并行运算方式实现。对计算机并行处理技术的研究，降低系统上位机姿态信息反馈结果处理时间，实现系统较高采样率的较好的用户体验。
（四）姿态融合技术的研究。对原始加速度和角速度信息数据进行加工处理，生成可参考的姿态信息。对加速度与角速度姿态融合技术进行研究，采用硬件协处理器或软件算法的方式对原始数据进行解算，生成四元数，最终得出不同受测部位瞬时欧拉角（航向角、横滚角、俯仰角）等实时姿态信息，帮助运动员了解自身技术动作情况。
三、研究过程
（一）传感器监测与数采系统设计
为降低系统技术开发难度，采用MPU60X099轴运动传感器与STM32单片机作为下位机监测与数据采集功能的技术方案。MPU6050六轴传感器采集原始角速度和加速度信息，通过I2C总线上传到STM32单片机中，单片机再将数据进行分类打包后存入FLASH芯片中（24C512），将原始数据通过串口上传给HLK-RM04无线传输处理模块，HLK-RM04将数据包转为WIFI无线信号发射到上位机。
（二）数据处理分析软件设计
1.数据采集处理模块。用于对下位机发送TCP数据包进行接收、转换以及数字滤波处理。将16进制原始数据转换为三轴向加速度以及角速度信息后，用于TXT数据文件的同步存储以及数据曲线的实时显示。
2.数据分析模块。用于以存储六轴传感器数据的后期分析，将导入的存储加速度和角速度信息通过数据曲线的形式呈现，根据用户选择的业务分析选项，按照预置的业务处理类将计算结果反馈给用户。
3.姿态图形显示模块。用于加速度与角速度信息的姿态融合，通过程序预置算法将六轴传感器数据转换为四元数，再生成为欧拉角，即航向角（yaw）、横滚角（roll）、俯仰角（pitch），通过棍图的方式将运动员受测部位的姿态信息在用户界面中进行呈现。
4.同步图像模块。基于视频采集卡SDK以及数字同步器将运动员滑行同步图像采集，在用户界面中进行播放，用于数据曲线以及姿态图形的同步分析，为用户提供更加直观的反馈形式。
四、总结
引用更为复杂的六轴运动传感器，有效解决了单一类型传感器信息量不足的缺点，较为全面对速度滑冰滑行动作的技术特征进行捕捉与分析，对整体技术方案优化设计，有效提高了采样率、传输距离、信号处理等技术指标和方法，解决了速度滑冰这种运动范围大、动作频率高的竞技项目技术分析难题，为向其他体育项目扩展应用提供了基础。
参考文献：
[1] 陈航科，张东等.基于Kalman滤波算法的姿态传感器信号融合技术研究术[J].传感器与微系统.2013（12）：82-85.
[2] 谷丽华，崔畅等.基于MPU-6050的步态信号采集系统[J].沈阳工业大学学报.2015，37（2）：176-182.
摘 要 为满足速度滑冰滑行技术动作特征研究的需要，研制一套基于六轴运动传感器的速滑动作捕捉系统。该系统主要由传感器、数采系统以及数据分析软件组成，通过三轴陀螺仪、三轴加速度传感器等采样仪器，对运动员滑行过程中相关运动学参数进行实时无线采集，结合同步跟踪视频，对速滑运动员不同阶段的滑行技术特征进行分析，发现滑行技术方面存在的问题，为今后开展速度滑冰三维运动人体建模提供驱动数据。
关键词 速度滑冰 陀螺仪 加速度传感器
一、引言
速度滑冰作为竞速类项目，对速滑运动员冰上滑行全程技术动作特征的获取、分析与优化极其重要。传感器检测方法能够进行全程的监测，但是由于传感器的工作原理，只有合适的降噪处理才能获取稳定、准确的数据，因此，对传感器检测方案进行优化才能更适合于速度滑冰运动。设计并开发一套MEMS六轴运动传感器系统，最大程度的减轻传感器对运动员滑行动作的干扰，在信号降噪、信号融合、姿态解算等方面的优化处理，使整套系统更为适应速度滑冰滑行动作特征的采集，更为准确的还原速滑运动员技术特点，为速滑项目技术改进提供科学依据。
二、研究内容
（一）数字信号处理方法的研究。对受测对象姿态的测量通常采用加速度计与陀螺仪采集瞬时加速度和角速度信息，对其进行积分运算，获取方向角、俯仰角等姿态数据。但在实际使用过程中，存在传感器零位漂移、随机干扰等因素影响，需要对系统原始采样信号进行滤波处理。通过硬件或软件降噪的方式进行数字信号的处理，软件降噪采用数字滤波（如低通滤波等）和卡尔曼滤波等技术，保障采样信息的准确还原。
（二）无线传输方式的研究。速滑项目存在运动范围大、场馆封闭，对无线传输方式进行研究。主要对IEEE802.11无线局域网、ZIGBEE、蓝牙等现有无线传输技术进行研究，确保系统无线传输模块在传输距离与速率、信号稳定性、硬件体积等达到均衡化同时满足速滑专项特点的需要。
（三）数据采集与处理速度的研究。本系统需要满足多通道同步采集与处理分析功能，即在上位机接收下位机传输数据的同时对数据进行快速解算，需要在较短时间内向用户提供运动员动作姿态信息，需要对上位机处理分析程序采用并行运算方式实现。对计算机并行处理技术的研究，降低系统上位机姿态信息反馈结果处理时间，实现系统较高采样率的较好的用户体验。
（四）姿态融合技术的研究。对原始加速度和角速度信息数据进行加工处理，生成可参考的姿态信息。对加速度与角速度姿态融合技术进行研究，采用硬件协处理器或软件算法的方式对原始数据进行解算，生成四元数，最终得出不同受测部位瞬时欧拉角（航向角、横滚角、俯仰角）等实时姿态信息，帮助运动员了解自身技术动作情况。
三、研究过程
（一）传感器监测与数采系统设计
为降低系统技术开发难度，采用MPU60X099轴运动传感器与STM32单片机作为下位机监测与数据采集功能的技术方案。MPU6050六轴传感器采集原始角速度和加速度信息，通过I2C总线上传到STM32单片机中，单片机再将数据进行分类打包后存入FLASH芯片中（24C512），将原始数据通过串口上传给HLK-RM04无线传输处理模块，HLK-RM04将数据包转为WIFI无线信号发射到上位机。
（二）数据处理分析软件设计
1.数据采集处理模块。用于对下位机发送TCP数据包进行接收、转换以及数字滤波处理。将16进制原始数据转换为三轴向加速度以及角速度信息后，用于TXT数据文件的同步存储以及数据曲线的实时显示。
2.数据分析模块。用于以存储六轴传感器数据的后期分析，将导入的存储加速度和角速度信息通过数据曲线的形式呈现，根据用户选择的业务分析选项，按照预置的业务处理类将计算结果反馈给用户。
3.姿态图形显示模块。用于加速度与角速度信息的姿态融合，通过程序预置算法将六轴传感器数据转换为四元数，再生成为欧拉角，即航向角（yaw）、横滚角（roll）、俯仰角（pitch），通过棍图的方式将运动员受测部位的姿态信息在用户界面中进行呈现。
4.同步图像模块。基于视频采集卡SDK以及数字同步器将运动员滑行同步图像采集，在用户界面中进行播放，用于数据曲线以及姿态图形的同步分析，为用户提供更加直观的反馈形式。
四、总结
引用更为复杂的六轴运动传感器，有效解决了单一类型传感器信息量不足的缺点，较为全面对速度滑冰滑行动作的技术特征进行捕捉与分析，对整体技术方案优化设计，有效提高了采样率、传输距离、信号处理等技术指标和方法，解决了速度滑冰这种运动范围大、动作频率高的竞技项目技术分析难题，为向其他体育项目扩展应用提供了基础。
参考文献：
[1] 陈航科，张东等.基于Kalman滤波算法的姿态传感器信号融合技术研究术[J].传感器与微系统.2013（12）：82-85.
[2] 谷丽华，崔畅等.基于MPU-6050的步态信号采集系统[J].沈阳工业大学学报.2015，37（2）：176-182.