集成Arduino和Xsens Awinda慣性測(cè)量套件的可穿戴式人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量設(shè)備原型

摘要：

針對(duì)高精度行人室內(nèi)自主導(dǎo)航與定位的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了集成Arduino和Xsens Awinda慣性測(cè)量套件的可穿戴式人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量設(shè)備原型。該系統(tǒng)穿戴方便，可靠性高，實(shí)現(xiàn)了雙足IMU信息與足間距離的同步測(cè)量，支持?jǐn)?shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸、遠(yuǎn)程保存與分析。足間距離通過(guò)改造的雙SRF10超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行連續(xù)采集，并結(jié)合雙足慣性測(cè)量數(shù)據(jù)使用零速檢測(cè)算法得到步行步態(tài)規(guī)律，有助于提高行人慣性導(dǎo)航定位精度。

0 引言

目前，自主導(dǎo)航技術(shù)主要依靠空間與時(shí)間上的步態(tài)參數(shù)，結(jié)合生物學(xué)特征進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)與導(dǎo)航定位。一種思路是利用傳感器測(cè)量目標(biāo)部位的運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)分析人員行走時(shí)的信號(hào)特性來(lái)估計(jì)運(yùn)動(dòng)特征確定步頻、步幅，與航向測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合得到運(yùn)動(dòng)軌跡，不足之處在于針對(duì)實(shí)際行走過(guò)程中多變狀況難以保持持續(xù)的高信號(hào)識(shí)別率。另一種思路是檢測(cè)腳部著地時(shí)的零速度狀態(tài)，并將零速值作為卡爾曼濾波的觀測(cè)值，修正慣導(dǎo)解算誤差。人在步行時(shí)，雙足的著地時(shí)間較短，因此輔助作用有限。而且零速狀態(tài)檢測(cè)方式對(duì)陀螺儀輸出誤差修正的作用有限，隨時(shí)間推移會(huì)造成步行軌跡的較大偏差。

足間距離是一個(gè)可用的導(dǎo)航輔助信息。目前此思路的研究工作主要分為3個(gè)方向：(1)通過(guò)跟蹤雙足距離標(biāo)定兩個(gè)陀螺零偏，從而約束方位漂移，其中足間距的確定使用的是超聲波收發(fā)器[1]；(2)在算法中設(shè)定雙足間的距離閾值約束來(lái)減少航向誤差[2-4]；(3)使用單發(fā)多收的思路，分別在雙足布置多個(gè)超聲波收發(fā)器，通過(guò)不同位置接收器的時(shí)間差得出腳步的位移信息和姿態(tài)信息[5]。

本文以此思路為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以Arduino開(kāi)發(fā)平臺(tái)和Xsens Awinda MTw慣性傳感器為核心的可穿戴式人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量設(shè)備原型，實(shí)現(xiàn)了慣性信息和足間距離信息的連續(xù)、同步測(cè)量。

1 系統(tǒng)原理

使用微機(jī)電慣性測(cè)量單元(MEMS Inertial Mesurement Unit，MEMS IMU)測(cè)量雙足運(yùn)動(dòng)過(guò)程中安裝位置的慣性數(shù)據(jù)。系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)滿(mǎn)足4個(gè)要點(diǎn)：(1)在實(shí)際步態(tài)條件下實(shí)時(shí)測(cè)量雙足間的距離，要求數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定，數(shù)據(jù)反饋靈敏；(2)各傳感器測(cè)量信息同步采集；(3)自動(dòng)保存與處理數(shù)據(jù)；(4)設(shè)備便攜易用，方便穿戴。本系統(tǒng)硬件搭配思路如圖1所示。

使用兩個(gè)超聲波測(cè)距模塊測(cè)量雙足在任意相對(duì)位置時(shí)的距離，超聲波數(shù)據(jù)發(fā)送端負(fù)責(zé)測(cè)距，每隔一定周期將數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸至超聲波數(shù)據(jù)接收端。另一方面，雙足慣性運(yùn)動(dòng)信息通過(guò)中控單元同步采集并傳送至計(jì)算機(jī)端。計(jì)算機(jī)端結(jié)合控制時(shí)序得到各傳感器的同步測(cè)量信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Xsens MTw Awinda套件

Xsens MTw Awinda慣性測(cè)量開(kāi)發(fā)套件包括數(shù)據(jù)中控單元Awinda Station和多個(gè)慣性傳感器MTw?；贗EEE 802.15.4的無(wú)線(xiàn)Awinda Protocol確保數(shù)據(jù)傳輸至Awinda Station。各MTw單元間數(shù)據(jù)采集同步誤差小于10 μs。單元內(nèi)部采樣率為1 800 Hz。Awinda Station包括4個(gè)BNC同步I/O端口，其中兩個(gè)同步輸出端口Sync Out Line1和Sync Out Line2向外部發(fā)送控制信號(hào)，控制信號(hào)源自Awinda Station采數(shù)時(shí)內(nèi)部數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換（Frame Transition），表示每個(gè)計(jì)算周期數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換結(jié)束的時(shí)刻。

MT Manager是與MTw Awinda的交互控制界面，使用內(nèi)置消息終端(Device Message Terminal)監(jiān)視慣性傳感器信息，可以設(shè)置MTw的無(wú)線(xiàn)更新率和Awinda Station的同步信號(hào)觸發(fā)方式。

從大量文獻(xiàn)看，多數(shù)以MEMS IMU為基礎(chǔ)的行人導(dǎo)航定位研究均以Xsens慣性運(yùn)動(dòng)傳感器作為測(cè)量平臺(tái)。

2.2 測(cè)距控制板

本設(shè)備使用兩個(gè)Arduino開(kāi)發(fā)板作為核心控制模塊。一個(gè)作為超聲波數(shù)據(jù)測(cè)量與發(fā)送端，負(fù)責(zé)超聲波數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，隨身攜帶。另外一個(gè)作為超聲波數(shù)據(jù)接收端，與Awinda Station數(shù)據(jù)同步。

2.3 測(cè)距模塊

針對(duì)足間測(cè)距場(chǎng)景要求，本設(shè)備采用超聲波測(cè)距方式進(jìn)行測(cè)量。Devantech SRF10測(cè)距范圍為3 cm～6 m，精度1 cm，具備濾波降噪功能，探頭波束角72°，包括400ST100發(fā)射探頭、400SR100接收探頭和控制電路3個(gè)主要部分，數(shù)據(jù)間通過(guò)I2C協(xié)議通信。對(duì)連接同一I2C總線(xiàn)上的SRF10須配置不同I2C地址。須注意Arduino和SRF10的I2C地址轉(zhuǎn)換。

通過(guò)SRF10寄存器可以修改測(cè)距范圍和模擬增益，合適的參數(shù)可以減少測(cè)量誤差。增益調(diào)整得越大，接收微弱回波的敏感度越大。

為適應(yīng)正常步態(tài)條件下對(duì)步距的實(shí)時(shí)測(cè)量，延長(zhǎng)SRF10發(fā)射探頭與控制芯片的連接，改造為對(duì)射式超聲波模塊。使用激光測(cè)距標(biāo)定測(cè)量誤差，實(shí)測(cè)距離與真實(shí)距離關(guān)系如圖2所示，在真實(shí)距離小于20 cm時(shí)，實(shí)測(cè)值偏差較大。

超聲波測(cè)距模塊的方向性測(cè)試如圖3所示，經(jīng)改造的SRF10在收發(fā)探頭之間相對(duì)角度為50°以?xún)?nèi)時(shí)能得到較好的測(cè)距結(jié)果。兩個(gè)經(jīng)過(guò)改造的測(cè)距模塊在安裝時(shí)分離一定角度，測(cè)距示意如圖4所示，測(cè)距模塊探頭之間的夾角為α。進(jìn)行多次預(yù)測(cè)試，當(dāng)步距范圍為10 cm～100 cm時(shí)，夾角α調(diào)整為60°～100°能保證人員行走時(shí)的正常采數(shù)。本系統(tǒng)平臺(tái)中，夾角α設(shè)置為90°。

I2C總線(xiàn)中SCL和SDA均使用阻值為1.8 kΩ的上拉電阻鉗位在高電平，SRF10的SCL與SDA引腳分別與Arduino模擬引腳A5與A4連接，兩個(gè)SRF10并聯(lián)，作為I2C總線(xiàn)的從機(jī)。模塊發(fā)送超聲波采集數(shù)據(jù)時(shí)，I2C的SDA被拉高，保證數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)?shù)玫綔y(cè)距結(jié)果后，SRF10再次響應(yīng)I2C總線(xiàn)，這一點(diǎn)對(duì)確定系統(tǒng)時(shí)延和實(shí)現(xiàn)同步操作非常重要。

2.4 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

nRF24L01是GFSK單片射頻收發(fā)芯片，工作頻段為2.4~2.5 GHz ISM，通過(guò)SPI接口選擇頻道和設(shè)置協(xié)議，SPI接口按主從方式工作，全雙工模式，以同步時(shí)鐘節(jié)拍傳輸無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)，串行數(shù)據(jù)流中信號(hào)碼元間相對(duì)位置固定。上電后通過(guò)CE接口配置模塊，本設(shè)備使用增強(qiáng)型ShockBurstTM模式控制數(shù)據(jù)的應(yīng)答和重發(fā)功能。

兩個(gè)nRF24L01分別作為發(fā)送端與接收端，每一周期采集的兩組測(cè)距信息同時(shí)遠(yuǎn)程傳輸，數(shù)據(jù)實(shí)際大小為8 B。

2.5 目標(biāo)設(shè)備的硬件改造與搭配

系統(tǒng)硬件構(gòu)成示意圖如圖5所示。

本設(shè)備使用TI TXS0108E雙向電平轉(zhuǎn)換芯片保證模塊間正常通信，其最大數(shù)據(jù)速率為110 Mb/s(推挽)、1.2 Mb/s(開(kāi)漏)。芯片A端口跟蹤VCCA引腳電源電壓，連接3.3 V電壓值引腳。B端口跟蹤VCCB引腳電源電壓，連接5 V電壓值引腳。輸出使能OE引腳輸入高電平。

硬件結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集、接收與處理幾部分。經(jīng)改造的對(duì)射式SRF10超聲波測(cè)距模塊收發(fā)探頭分別安裝于不同的Xsens MTw之上，探頭間連線(xiàn)繞過(guò)身體軀干由魔術(shù)扣固定，Xsens MTw置于鞋面。自行設(shè)計(jì)的安裝組件具備調(diào)整發(fā)射與接收探頭之間角度的功能。MTw的坐標(biāo)系示意和設(shè)備安裝情況如圖6所示，

3 數(shù)據(jù)采集與處理流程

系統(tǒng)主要工作流程為：設(shè)備的穿戴與安裝、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)保存與處理。圖7所示為設(shè)備數(shù)據(jù)采集與傳遞流程。采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸至超聲波數(shù)據(jù)接收端和IMU數(shù)據(jù)接收端，計(jì)算機(jī)同時(shí)接收具有時(shí)間戳的超聲波測(cè)距信息以及IMU慣性運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息，進(jìn)行同步處理和數(shù)據(jù)解算。

圖8所示為MT Manager同步信號(hào)觸發(fā)方式設(shè)置，Awinda Station通過(guò)Sync Out Line1向外部發(fā)送上升沿同步信號(hào)，發(fā)送周期為10 ms，與IMU數(shù)據(jù)更新周期相同，信號(hào)脈沖寬度為1 ms。Awinda Station從給出指令啟動(dòng)記錄時(shí)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集與計(jì)算，使用Interval Transition Recording同步方式確保準(zhǔn)確得到數(shù)據(jù)記錄期間Awinda Station的系統(tǒng)時(shí)鐘。

一方面，超聲波數(shù)據(jù)接收端Arduino對(duì)每一幀Awinda Station的同步輸出上升沿信號(hào)使用內(nèi)部中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)采集時(shí)間的精確同步，同步精度達(dá)到1 ms。一旦接收到兩個(gè)超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)，則將測(cè)距數(shù)值與此刻的計(jì)數(shù)結(jié)果同時(shí)輸出，得到原始數(shù)據(jù)。超聲波數(shù)據(jù)接收端Arduino程序流程圖如圖9所示。兩塊MTw無(wú)線(xiàn)慣性傳感器的慣性數(shù)據(jù)更新頻率為100 Hz。另一方面，Awinda Station將采集得到的慣性數(shù)據(jù)輸出至計(jì)算機(jī)，文件中包含MTw各傳感器輸出（Sensor Component Readout）。

SRF10以ms為單位進(jìn)行足距數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理時(shí)轉(zhuǎn)換為距離測(cè)量值。由于兩個(gè)SRF10同時(shí)測(cè)距會(huì)造成干擾，因此將測(cè)距時(shí)間間隔設(shè)置為20 ms，每次測(cè)距完畢時(shí)發(fā)送端將兩個(gè)測(cè)距數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸?shù)浇邮斩耍琒RF10測(cè)距周期與超聲波數(shù)據(jù)發(fā)送周期均為50 ms。

對(duì)于超聲波測(cè)距頻率的選擇，考慮以下幾點(diǎn)：(1)普通人以常速行走時(shí)一次完整的步態(tài)周期大約為1.2 s~1.8 s，而任意一只腳離地階段時(shí)間占比約為31.8%[6]；(2)基于人在各種運(yùn)動(dòng)(如行走、跑步等)中的步幅，將模塊測(cè)距范圍設(shè)置為2 m，測(cè)距模塊需要約5.8 ms處理數(shù)據(jù)，所以SRF10超聲波測(cè)距采數(shù)周期不能低于此時(shí)間長(zhǎng)度，調(diào)整模擬增益與模塊探測(cè)頻率和測(cè)距范圍參數(shù)相配合；(3)超聲波測(cè)距模塊輸出頻率與Awinda Station輸出頻率設(shè)置為整數(shù)倍關(guān)系，使數(shù)據(jù)間傳遞相配合。

在超聲波數(shù)據(jù)發(fā)送端，SRF10在采集得到數(shù)據(jù)后需要延時(shí)一段時(shí)間（程序中設(shè)置為20 ms）才能從寄存器中讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)示波器分別檢測(cè)超聲波探頭開(kāi)始工作時(shí)的脈沖信號(hào)和超聲波數(shù)據(jù)接收端Arduino接收數(shù)據(jù)的脈沖信號(hào)，得到設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程平均時(shí)間總共需要消耗21.5 ms，多出的1.5 ms主要是無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間，基于數(shù)據(jù)判定SRF10具體的啟動(dòng)與測(cè)距的時(shí)刻，將測(cè)距數(shù)據(jù)與IMU數(shù)據(jù)結(jié)合，完成同步采集。

設(shè)備同步過(guò)程以Awinda Station內(nèi)部時(shí)鐘為基準(zhǔn)，另外超聲波測(cè)距周期最快可以調(diào)整為30 ms。

4 設(shè)備數(shù)據(jù)采集與處理

使用兩個(gè)SRF10對(duì)人體正常步態(tài)條件下的實(shí)時(shí)足距進(jìn)行測(cè)量，由于超聲波探頭存在波束角，對(duì)于本設(shè)備模塊的安裝方式，同一時(shí)刻可以獲得兩個(gè)測(cè)量值，需要在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)確定相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量值。思路為結(jié)合Xsens MTw采集得到的慣性運(yùn)動(dòng)參數(shù)，應(yīng)用零速檢測(cè)算法(Zero-Velocity Detection)[7]得到雙足對(duì)地保持相對(duì)靜止的時(shí)間段，從而得到步伐運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

利用以上零速檢測(cè)算法使用此穿戴設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試，沿直線(xiàn)常速（約5 km/h）行走，選取數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度10 s，測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10所示。

圖10(a)和圖10(b)分別表示安裝在左足MTw和右足MTw測(cè)量得到的加速度計(jì)三軸輸出和使用零速檢測(cè)算法判斷得到的足部處于著地階段的狀態(tài)，據(jù)此得到雙足觸地、著地、抬腳、擺動(dòng)等周期步態(tài)。圖10(c)表示兩個(gè)超聲波測(cè)距模塊分別得到的測(cè)距值，由于聲波反射測(cè)距的特性，實(shí)際測(cè)量值存在一部分野值點(diǎn)。將兩個(gè)模塊的測(cè)距結(jié)果依據(jù)步態(tài)信息進(jìn)行選擇及處理，方式如下：(1)根據(jù)慣性傳感器輸出判斷每一步運(yùn)動(dòng)方向；(2)以步行方向?yàn)榍跋驗(yàn)槔?，正常情況下一只腳在剛觸地時(shí)刻位置位于另一只腳斜前方，依據(jù)前述模塊安裝條件，選取此時(shí)符合此角度測(cè)量位置的模塊的測(cè)距值；(3)對(duì)每一次步伐采取上述操作，結(jié)合雙足相對(duì)位置變化規(guī)律最終得到足間距離的實(shí)時(shí)測(cè)量值，同時(shí)剔除部分野值點(diǎn)，得到最終測(cè)量結(jié)果如圖10(d)所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)集成慣性測(cè)量單元和超聲波測(cè)距傳感器可以直接實(shí)時(shí)測(cè)量得到行人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的雙足間距，并實(shí)現(xiàn)行人導(dǎo)航數(shù)據(jù)的同步采集，推進(jìn)以步距作為新的行人導(dǎo)航約束條件的研究工作，使用無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程保存與處理，不必隨身攜帶計(jì)算終端，穿戴較為輕便，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，滿(mǎn)足穿戴式的人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量使用要求。以此硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步工作包括：(1)針對(duì)多種步態(tài)情況采用更多超聲波測(cè)距收發(fā)模塊測(cè)量更復(fù)雜角度情況下的足距；(2)平臺(tái)整體趨向模塊化，為完善導(dǎo)航鞋功能提供思路，數(shù)據(jù)處理部分根據(jù)實(shí)際使用需求可移植至其他設(shè)備終端。