基于云計(jì)算和體感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練平臺(tái)

1、【132】 第34卷 第8期 2012-8(上收稿日期:2012-05-23作者簡(jiǎn)介:李開(kāi)貴(1976-,男,四川成都人,工程師,本科,主要從事應(yīng)用電子及通信方面研究。 0 引言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN 是借助大量部署的傳 感元件來(lái)監(jiān)控環(huán)境變量的智能系統(tǒng),近年來(lái),其發(fā) 展十分迅速,傳感器的嵌入式技術(shù)已經(jīng)成熟,已經(jīng) 可以穿到身上,并且不會(huì)給穿戴者帶來(lái)不適 1,2。2002年 Prof.Guang-Zhong Yang將 WSN 延伸, 提出了體感網(wǎng)絡(luò)(BSN 的全新概念 3。體感網(wǎng)絡(luò) 基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的低功耗與實(shí)時(shí)性特性,只需 使使用者穿上一些傳感元件,就可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控 穿戴者的狀況。本文系統(tǒng)在錄

2、制教練動(dòng)作視頻的同時(shí),同步 地記錄教練標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的傳感器信息,使學(xué)員可通 過(guò)無(wú)線通訊設(shè)備,同步地將連續(xù)動(dòng)作的傳感器信 息上傳到云端計(jì)算設(shè)備,進(jìn)行動(dòng)作軌跡重建特征 比對(duì),并且同步回傳學(xué)員需要更正的錯(cuò)誤動(dòng)作, 如圖 1所示。1 研究方法本文提出的系統(tǒng)其關(guān)鍵技術(shù)包括:初始化多 運(yùn)動(dòng)傳感器的位置和傳感器之間同步、運(yùn)動(dòng)軌跡基于云計(jì)算和體感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練平臺(tái)Cloud-based sport training platform using body sensor network李開(kāi)貴,游 燕 LI Kai-gui, YOU Yan(成都紡織高等專(zhuān)科學(xué)校,成都 611731摘 要: 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于云計(jì)算的

3、高爾夫運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練平臺(tái),使學(xué)員可以避免花費(fèi)大筆資金去聘請(qǐng)教練和購(gòu)買(mǎi)高端學(xué)習(xí)設(shè)備,需要的只是一些傳感器件,如:重力傳感器和陀螺儀,以及筆記本 電腦或智能手機(jī),借助設(shè)備的藍(lán)牙模塊來(lái)接收學(xué)員身上的和高爾夫球桿上的傳感器資料,通 過(guò)3G或Wi-Fi可隨時(shí)連接云端系統(tǒng),進(jìn)行姿勢(shì)動(dòng)作的比對(duì)和修正。關(guān)鍵詞: 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練平臺(tái);體感網(wǎng)絡(luò);重力傳感器;移動(dòng)云計(jì)算重建、拍攝視頻與運(yùn)動(dòng)傳感器信息同步、相似度 比對(duì)等,以下章節(jié)將詳細(xì)描述。1.1 初始化多運(yùn)動(dòng)傳感器位置和傳感器間同步技術(shù)我們將初始化多運(yùn)動(dòng)傳感器位置和傳感器間 同步,描述如下:1 定義人體前方為 X 軸正向、左側(cè)為 Y 軸正 向、上方為 Z 軸正向。2 通過(guò)一個(gè)

4、輸入裝置,如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)來(lái)告知 系統(tǒng)該學(xué)員的身高。3 依據(jù)學(xué)員的身高,依照標(biāo)準(zhǔn)人體肢體比例 來(lái)得知各肢體的長(zhǎng)短,進(jìn)而推算各個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器 在空間中的初始位置。4 此外學(xué)員可以在動(dòng)作開(kāi)始前,利用一個(gè)致 動(dòng)方法,如按鈕、聲音、手勢(shì)等,告知運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí) 系統(tǒng)利用無(wú)線通訊,如 ZigBee 、 Bluetooth 等方式, 開(kāi)始讀取運(yùn)動(dòng)傳感器的數(shù)值。5 假設(shè)學(xué)員身上穿戴 m 個(gè)重力傳感器,開(kāi) 始讀取運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)值時(shí),得到各個(gè)傳感器初始 Tick 的時(shí)間是 t 1, t 2, ., t m ,則之后記錄各個(gè)運(yùn) 動(dòng)傳感器的傳感器信息其時(shí)間為 (T i -t i ×s i ,其中 i =1. m , s代

5、表每秒取樣數(shù)的倒數(shù)。1.2 軌跡重建技術(shù)有些球類(lèi)運(yùn)動(dòng),如:高爾夫、網(wǎng)球等,相對(duì) 于擊球力量,更重要的是能穩(wěn)定地?fù)舻角虿⒖刂?球的方向。高爾夫運(yùn)動(dòng),為了在最少揮桿次數(shù)下 達(dá)到最終進(jìn)洞的目標(biāo),擊球方向的穩(wěn)定性就非常 重要,所以必須建立一個(gè)完美的揮桿,才能提高 成功擊球的機(jī)率,以及更接近所想要達(dá)到的位置。Wi-Fi 3G ZigBee 圖 1 系統(tǒng)示意圖第34卷 第8期 2012-8(上 【133】因此,必須要有一套工具來(lái)反映出學(xué)員所揮擊的 信息。我們?cè)谇驐U的桿身上嵌入慣性傳感器,借 此抓取球桿在移動(dòng)過(guò)程中的物理信息,利用重力 傳感器來(lái)獲取球桿移動(dòng)的加速度狀況,陀螺儀來(lái) 獲取球桿旋轉(zhuǎn)的角度變化狀況。

6、因此我們可以利用運(yùn)動(dòng)傳感器中的三軸重力 傳 感 器 (Triple-axis G-accelerometer sensor、 磁 力 計(jì)等,提供加速度、方位角等傳感器信息。接著, 我們利用式 (1,對(duì)上述傳感器信息進(jìn)行積分,參 考運(yùn)動(dòng)傳感器的初始位置,就可以計(jì)算出運(yùn)動(dòng)傳 感器在 X 、 Y 、 Z 每一軸向的位移量,并進(jìn)一步推 算出運(yùn)動(dòng)傳感器的位置信息。(1此外由于球桿旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)的過(guò)程中,傳感器 本身坐標(biāo)也一直在變換,傳感數(shù)值沒(méi)有一個(gè)相同 的參考坐標(biāo),會(huì)造成連續(xù)的數(shù)值沒(méi)有關(guān)聯(lián)性,因 此我們必需將坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)到同一個(gè)參考坐標(biāo),所以 我們借助陀螺儀偵測(cè)的角速度乘上取樣時(shí)間得到 角度變化,再依據(jù)角度變化

7、得到轉(zhuǎn)換矩陣,利用 這個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣就可以把傳感器移動(dòng)的狀況全部轉(zhuǎn) 換到一開(kāi)始揮桿的坐標(biāo)系,再進(jìn)行積分,推算出 傳感器的位移信息,流程如圖 2所示。圖 2 軌跡重建流程1.3 拍攝運(yùn)動(dòng)教學(xué)視頻與運(yùn)動(dòng)傳感器信息同步技術(shù)為了使學(xué)員可以更為精確的學(xué)習(xí)動(dòng)作的細(xì)節(jié), 我們嘗試將動(dòng)作的傳感器信息,嵌入教學(xué)視頻中, 并基于視頻畫(huà)面速率和傳感器取樣率,使兩者記錄 的信息,能夠達(dá)到時(shí)間同步的效果。此時(shí)的視頻與 傳感器信息可以分別記錄在不同檔案,如 AVI 和 XML 檔中,或是將傳感器信息寫(xiě)入于視頻檔案的 字段中。舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō),我們可以調(diào)整傳感器取 樣率為視頻畫(huà)面速率的倍數(shù),如傳感器每秒取樣 120次,而視頻的畫(huà)

8、面速度為 60fps 。視頻和傳感器記錄的起始時(shí)間,都應(yīng)該將 Tick 值或是 Timestamp 值,轉(zhuǎn)換至同一個(gè)時(shí)間軸上表示,如式 (2所示:(2假設(shè)傳感器讀到第一個(gè)傳感器信息的 Tick 值 (t 0 為 52642,第二個(gè)傳感器信息的 Tick 值 (t 2 為 52646,取樣率為 120Hz ,此時(shí)記錄的時(shí)間 (T C 分 別為 0和 0.03。同樣的,假設(shè)視頻第一張畫(huà)面的 Timestamp 為 52646,第二張畫(huà)面的 Timestamp 為 5238,每秒畫(huà)面速率為 60,則此時(shí)記錄的時(shí)間 (T C 則分別為 0和 0.03。我們定義 6個(gè)高爾夫揮桿的關(guān)鍵動(dòng)作,包括 帶、轉(zhuǎn)、

9、移、放、跟、收的步驟:帶:(上桿前期 將雙掌帶到右大腿前方的位 置。手手臂肩膀臀部。以上述順序帶動(dòng)球 桿,并且右手腕轉(zhuǎn)動(dòng)至正前方;轉(zhuǎn):(上桿后期 左肩旋轉(zhuǎn)至下巴下方,作出 一個(gè)大幅度的上桿動(dòng)作。手臂彎曲,上升至頂點(diǎn) 時(shí)球桿與地面平行,且左手腕固定約 90度角;移:(下桿前期 右肩下沉,右肘帶到右肋下 方,進(jìn)入“擊球準(zhǔn)備位置” ,桿子約在腰帶上方;臀部啟動(dòng)下桿,手腕保持角度,展現(xiàn)系統(tǒng)的 “鞭打效應(yīng)” ,下桿前期順序:臀部肩膀手臂;放:(加速期 手腕到達(dá)腰部之后到擊球。手 腕在下桿前期所維持的角度做完全的釋放;跟和收:(收桿前后期 這 2 個(gè)動(dòng)作合為一個(gè), 視為一個(gè)收桿動(dòng)作,從擊球完成到整個(gè)收桿動(dòng)

10、作 結(jié)束。再利用傳感器信息判斷出關(guān)鍵動(dòng)作后,會(huì)產(chǎn) 出一個(gè)視頻片段和傳感器信息的對(duì)應(yīng)表。此對(duì)應(yīng) 表將記錄在哪一個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生什么關(guān)鍵動(dòng)作,可 以是一個(gè)獨(dú)立的電子檔案,或是將傳感器信息寫(xiě) 入于視頻檔案的字段中,如圖 3所示。圖 3 不同的視頻片段和傳感器信息對(duì)應(yīng)方法1.4 動(dòng)作相似度比對(duì)技術(shù)在高爾夫運(yùn)動(dòng)中,揮桿的好壞有一些評(píng)比標(biāo) 準(zhǔn),例如動(dòng)作的時(shí)間節(jié)奏、桿頭揮動(dòng)的軌跡與桿 面位置、桿頭的速度和力量等,其中:【134】 第34卷 第8期 2012-8(上1 動(dòng)作的時(shí)間節(jié)奏:揮桿必須要有節(jié)奏才 打得出好球,揮桿動(dòng)作雖然很短暫,但也要有一 致的節(jié)拍,才有穩(wěn)定的球路及速度揮桿。 Neal, Aberneth

11、y 和 Moran 的研究中也指出新手以及專(zhuān)業(yè) 球員在上下桿的時(shí)間分布上仍有不小的差異。新 手球員在揮桿的時(shí)間分布中,上桿所占的時(shí)間從 20%至 60%不等 4。相對(duì)來(lái)說(shuō),專(zhuān)業(yè)球員的上桿 時(shí)間分布很密集的分布于 70%上下。2 桿頭揮動(dòng)的軌跡和桿面的位置:揮桿時(shí)桿 頭維持在一個(gè)圓的平面上,有如一個(gè)呼拉圈。揮 桿時(shí)若離開(kāi)這個(gè)平面,代表?xiàng)U頭會(huì)時(shí)而在平面之 上,時(shí)而在平面之下。這一點(diǎn)主要可以由軌跡進(jìn)行 判斷,當(dāng)全部的揮桿資料都轉(zhuǎn)換回地球坐標(biāo) (Earth Frame 后,并且計(jì)算出每筆資料的位移,如此一來(lái) 便可在同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下,比較兩次揮桿間,其揮 桿面的傾斜角度是否相同。3 桿頭的速度及力量:參

12、考桿 頭的加速度資料進(jìn)行判斷,由于速 度與力量成一正比關(guān)系,只要計(jì)算 出桿頭各階段的加速度,即可知道 使用者的力道是否正確。4 各肢體部位動(dòng)作先后的問(wèn) 題:借助將各部位的傳感器資料進(jìn) 行分群,參考收集到的正確動(dòng)作的 分群時(shí)間軸,檢查學(xué)員的動(dòng)作傳感 器資料是否落在正確的分群當(dāng)中。利用章節(jié) 1.2介紹的運(yùn)動(dòng)軌跡 特征描述方法,我們可以將標(biāo)準(zhǔn)的 教練的三維運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)描述為 (a e,x,i , a e,y,i , a e,z,i , ,而學(xué)員的運(yùn)動(dòng)軌跡 參數(shù)為 (a l,x,i , a l,y,i , a l,z,i , 。我們可以定 義一個(gè)動(dòng)作相似度 (Similarity,如 式 (3所示:3

13、其 中 動(dòng) 作 相 似 度 經(jīng) 過(guò) 正 規(guī) 化 后, 會(huì) 介 于 0%100%。假設(shè)教練運(yùn)動(dòng)軌跡為 (0,-45,130, (20,-45,120, (40,-40, 100,而學(xué)員的運(yùn)動(dòng)軌跡是 (0,-40,125,(15,-40,120,(35,-35,105,則相似度為 88%。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果在本實(shí)驗(yàn)章節(jié)中,我們將對(duì)多運(yùn)動(dòng)傳感器的同步結(jié)果、軌跡繪制與不同肢體在時(shí)間軸上的動(dòng) 作相對(duì)時(shí)間進(jìn)行討論。如圖 4所示,首先在運(yùn)動(dòng)傳感器同步的實(shí)驗(yàn) 中,我們將兩個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器重疊擺放,之后同時(shí)給 傳感器一短暫振動(dòng),如此以來(lái),兩個(gè)傳感器的數(shù)值 波形應(yīng)該是同時(shí)發(fā)生,且同時(shí)結(jié)束,但是從圖的前 兩張可很清楚地看到,

14、傳感器 1以及傳感器 2的開(kāi) 始時(shí)間明顯有段差距。經(jīng)過(guò)同步后,傳感器 2的時(shí) 間軸會(huì)向傳感器 1的時(shí)間軸對(duì)齊,從第三張可以清 楚看出兩個(gè)傳感器的波形已經(jīng)完全吻合。利用章節(jié) 1.2的軌跡重建技術(shù),我們可以繪制 出學(xué)員的揮桿軌跡,如圖 5所示,為兩次揮桿的 軌跡,學(xué)員可以自行檢查單次揮的上下桿軌跡是 否位于同一個(gè)平面上,亦可以比較某一次的揮桿 軌跡,使學(xué)員可以自行修正動(dòng)作錯(cuò)誤。圖 6比較兩次揮桿是否在同一平面,我們以圖 4 多傳感器同步實(shí)驗(yàn)十項(xiàng)資料做分析,依據(jù)上述高爾夫揮桿動(dòng)作分解 中的起桿以及下桿順序,對(duì)傳感器資料的分布做 合理群聚分析。我們可明顯看出在上下桿的起始 動(dòng)作上,手腕和腰部的動(dòng)作時(shí)間

15、點(diǎn)會(huì)有明顯的群 聚現(xiàn)象,加上配合上述高爾夫球動(dòng)作解析中的起 桿以及下桿順序,即可為本次揮桿動(dòng)作進(jìn)行評(píng)分。3 結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于云計(jì)算的高爾夫運(yùn)動(dòng)訓(xùn)【下轉(zhuǎn)第 149頁(yè)】第34卷 第8期 2012-8(上 【149】如果只是簡(jiǎn)單的重復(fù)執(zhí)行命令,就將寄存器進(jìn)行 逐步地加 1,這樣就不斷循環(huán)地讀取程序中的數(shù) 據(jù),在原則上需要三個(gè)周期的時(shí)間,如果不是重 復(fù)的執(zhí)行,就只需要一個(gè)周期的時(shí)間,將完成的 累積數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng),這件就完成了卷積所要求的 計(jì)算。從而利用了 DSP 芯片就行編程,實(shí)現(xiàn) FIR 所需要的數(shù)字濾波器的功能。3 系統(tǒng)仿真根據(jù)上述條件形成的數(shù)字濾波器,在本文中 采用了標(biāo)準(zhǔn)矩形波進(jìn)行了驗(yàn)證,設(shè)

16、置其頻率和振 幅分別為 300Hz 和 800mV ,其波形如圖 4所示,然后經(jīng)過(guò)本文算法提出的 DSP 的 FIR 數(shù)字濾波器 進(jìn)行濾波得到了如圖 5所示的波形。從仿真實(shí)驗(yàn)得到的四幅圖中可以看到,本文 提出的基于 DSP 的 FIR 數(shù)字濾波器滿足實(shí)驗(yàn)要求, 濾波效果良好,滿足要求。4 結(jié)束語(yǔ)在數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中, FIR 濾波器的設(shè)計(jì)是 基礎(chǔ),而 DSP 芯片也是重要的組成部分。 FIR 濾波 器和 DSP 芯片兩種之間相互相成,濾波器的設(shè)計(jì) 好壞直接影響著數(shù)字信號(hào)的處理,影響著整個(gè)過(guò)程 的運(yùn)行速度和精度。在今后的電子發(fā)展過(guò)程中,隨 著 DSP 芯片的不斷發(fā)展,將不斷地主導(dǎo)著 FIR 的

17、濾波設(shè)計(jì)。在本文提到的基于 DSP 芯片的算法形 成的 FIR 濾波器經(jīng)試驗(yàn)證明效果明顯,具有一定的 實(shí)用性,將來(lái)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越多。 參考文獻(xiàn):1 程佩青 . 數(shù)字信號(hào)處理教程 M. 北京 : 清華大學(xué)出版社 ,1999.2 孫宗瀛 , 謝鴻林 . TMS320C5xDSP原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用 M.北京 : 清華大學(xué)出版社 , 2002.3 喬瑞萍 , 崔濤 , 張芳娟 . TMS320C54xDSP原理及應(yīng)用M. 西安 : 西安電子科技大學(xué)出版社 , 2005.4 張雄偉 . DSP 芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用 ( 第三版 M. 北京 :電子工業(yè)出版社 , 2003.5 鄭紅 . TMS320C54XDSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) M. 北京 : 北京航空航天大學(xué)出版社 , 2002.圖 4 頻率和振幅分別為 300Hz 和 800mV 波形圖圖 5 本文 DSP 的 FIR 數(shù)字濾波器濾波練平臺(tái),使學(xué)員可以避免花費(fèi)大筆資金去聘請(qǐng)教 練和購(gòu)買(mǎi)高端學(xué)習(xí)設(shè)備,學(xué)院可通過(guò) 3G 或 Wi-Fi 可隨時(shí)連接云端系統(tǒng),進(jìn)行動(dòng)作姿勢(shì)比對(duì)。在實(shí) 驗(yàn)章節(jié)中,我們討論系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵技術(shù),包 括運(yùn)動(dòng)傳感器位置初始化與同步、軌跡繪制與討 論不同肢體動(dòng)作在時(shí)間軸上的相對(duì)時(shí)間,以驗(yàn)證 技術(shù)的可行性。 參考文獻(xiàn):1 楊靖 , 熊偉麗 , 等 . 無(wú)線傳