盛希寧

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國(guó)鈞分院，江蘇 常州 213000)

隨著體感應(yīng)用與穿戴式裝置的不斷發(fā)展，目前市面上已出現(xiàn)將慣性傳感器穿戴于后頸部來達(dá)到頸部姿勢(shì)提醒及頸部體感互動(dòng)功能的頸部穿戴式產(chǎn)品[1-4]，但其關(guān)鍵技術(shù)頸部動(dòng)作慣性感測(cè)信號(hào)識(shí)別的相關(guān)研究至今仍較為缺乏。針對(duì)以上問題，提出一種利用慣性傳感器六軸檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理的即時(shí)頸部動(dòng)作識(shí)別方法。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。首先，使用微控制器讀取慣性傳感器即三軸加速度傳感器及三軸陀螺儀傳感器所監(jiān)測(cè)到的頸部動(dòng)作信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理。通過藍(lán)牙模塊，此信號(hào)無線傳輸至手機(jī)端的Android應(yīng)用程序，進(jìn)行頸部動(dòng)作信號(hào)的采集、識(shí)別和運(yùn)算。識(shí)別運(yùn)算部分主要是使用動(dòng)態(tài)時(shí)間校正算法來計(jì)算出頸部動(dòng)作信號(hào)與建立的頸部動(dòng)作信號(hào)模型之間的差距，用以度量二者之間的信號(hào)相似性，最后再通過最近鄰分類法產(chǎn)生最終的識(shí)別結(jié)果。頸部動(dòng)作信號(hào)模型是由使用者在系統(tǒng)初始化階段將本研究所定義的18個(gè)頸部動(dòng)作幀均進(jìn)行一次建立的。

設(shè)計(jì)的穿戴式裝置系統(tǒng)硬件測(cè)試實(shí)物如圖2所示。GY-80模塊中的三軸加速度傳感器ADXL345和三軸陀螺儀傳感器L3G4200D用于慣性信號(hào)檢測(cè)，通過杜邦線將嵌入式開發(fā)板DFRduino Fio與六軸慣性傳感器模塊GY-80連接，二者間共有VCC、GND、SCL、SDA四條線，接線如圖3所示。微控制器DFRduino Fio使用輪詢的方式讀取來自傳感器模塊GY-80的六軸(三軸加速度和三軸陀螺儀)信號(hào)后先進(jìn)行信號(hào)的前處理，再通過UART串口將已處理的信號(hào)發(fā)送，傳輸速率設(shè)定為57 600 bps。由于GY-80傳感器模塊檢測(cè)的是三軸加速度信號(hào)和三軸陀螺儀角速度信號(hào)，因此各個(gè)軸的檢測(cè)值均有正、負(fù)方向性。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)硬件測(cè)試實(shí)物

圖3 DFRduino Fio與GY-80模塊引腳接線

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本研究提出的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。在系統(tǒng)初始化階段，使用者需要?jiǎng)?chuàng)建本文所定義的各種頸部動(dòng)作作為系統(tǒng)的初始化輸入，以建立頸部動(dòng)作信號(hào)模型，隨后進(jìn)入即時(shí)頸部動(dòng)作識(shí)別階段。無論是系統(tǒng)初始化階段還是即時(shí)識(shí)別階段，系統(tǒng)均會(huì)對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，完成采集頸部動(dòng)作信號(hào)的各個(gè)步驟。

本文將較為常見的18種頸部動(dòng)作進(jìn)行了基本定義，以中間位置姿態(tài)作為各種頸部動(dòng)作進(jìn)行前進(jìn)或后行的初始狀態(tài)，各種動(dòng)作種類定義名稱和說明見表1。其中，1～6號(hào)動(dòng)作屬于連續(xù)的來回動(dòng)作，而7～18號(hào)動(dòng)作屬于單獨(dú)的來回動(dòng)作。本文中，頸部動(dòng)作完成之后若進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，則被視為一個(gè)完整的頸部動(dòng)作。本文對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的定義為：頸部維持不動(dòng)的時(shí)間大于或等于自頸部動(dòng)作結(jié)束直至得出識(shí)別結(jié)果的這一段時(shí)間，該段時(shí)間主要包含了信號(hào)采集機(jī)制中的停止采集偵測(cè)時(shí)間以及頸部動(dòng)作信號(hào)識(shí)別運(yùn)算所消耗的時(shí)間。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

本文定義的連續(xù)動(dòng)作信號(hào)是指頸部動(dòng)作所對(duì)應(yīng)傳感器輸出的信號(hào)波形。其中，AX、AY、AZ方向上為三軸加速度信號(hào)，GX、GY、GZ方向上為三軸陀螺儀信號(hào)。穿戴式裝置置于人體頸部的六軸感應(yīng)方向標(biāo)示如圖5所示。

若頸部動(dòng)作信號(hào)波形的雜波過多，則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)難以進(jìn)行頸部動(dòng)作信號(hào)的捕捉機(jī)制設(shè)計(jì)，并且可能影響各種頸部動(dòng)作信號(hào)的波形特征，進(jìn)而導(dǎo)致頸部動(dòng)作識(shí)別運(yùn)算的準(zhǔn)確度下降[5-8]。因此，本文選用離散型一階RC低通濾波器算法來進(jìn)行雜波的濾除。

表1 動(dòng)作種類定義名稱及說明

圖5 六軸感應(yīng)方向標(biāo)示

3 系統(tǒng)傳感器模擬測(cè)試

六種連續(xù)去回動(dòng)作加速度傳感器輸出信號(hào)如圖6所示。圖6中的橫軸代表來自DFRduino Fio開發(fā)板的微控制器內(nèi)部UART接口輸出的每個(gè)傳感器信號(hào)的序號(hào)，縱軸代表加速度傳感器的輸出值。

六種連續(xù)去回動(dòng)作陀螺儀傳感器輸出信號(hào)如圖7所示。由圖7可觀察到文中定義的六種連續(xù)去回頸部動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的三軸陀螺儀傳感器輸出信號(hào)GX、GY、GZ波形。由于其測(cè)量的物理量為角速度，故可看出GX、GY、GZ 信號(hào)在未有動(dòng)作發(fā)生時(shí)皆相當(dāng)接近0，信號(hào)僅在有動(dòng)作時(shí)才會(huì)產(chǎn)生變化。本文對(duì) L3G4200D三軸陀螺儀傳感器模塊的測(cè)量范圍設(shè)定為±250 dps，由測(cè)量數(shù)據(jù)可知 L3G4200D模塊在此情況下的每單位輸出值代表8.75 mdps的角速度物理量，故其測(cè)量信號(hào)較大時(shí)，其輸出值的范圍將達(dá)到上萬。

圖6 六種連續(xù)去回動(dòng)作加速度傳感器輸出信號(hào)

在系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)時(shí)，通過計(jì)算使用者在即時(shí)識(shí)別階段所進(jìn)行的頸部動(dòng)作信號(hào)以及在系統(tǒng)初始化階段所建立頸部動(dòng)作信號(hào)模型之間的相似性來進(jìn)行頸部動(dòng)作種類的識(shí)別。在信號(hào)相似性算法部分，較簡(jiǎn)單的方式為直接按照兩個(gè)信號(hào)順序進(jìn)行信號(hào)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的歐基里德距離計(jì)算。所有信號(hào)點(diǎn)與點(diǎn)之間的歐基里德距離的總和距離值越小，則代表兩信號(hào)的差異越小，而相似性越高，故可將該距離作為信號(hào)相似性的度量值。

圖7 六種連續(xù)去回動(dòng)作陀螺儀傳感器輸出信號(hào)

4 結(jié)束語

本文信號(hào)前處理雜波濾波機(jī)制主要是通過目測(cè)觀察頸部動(dòng)作信號(hào)波形的平滑程度來選擇濾波參數(shù)，未來可針對(duì)參數(shù)值對(duì)頸部動(dòng)作正確辨識(shí)率的影響進(jìn)行研究，以找出更佳的參數(shù)值。由于加速度傳感器與陀螺儀傳感器所感應(yīng)的物理量不同，本文僅將此兩種傳感器的輸出信號(hào)調(diào)整至相近的基本位準(zhǔn)與振幅范圍，未來可進(jìn)一步研究如何才能更有效地融合不同種類的傳感器信號(hào)，以提升系統(tǒng)的運(yùn)算效能及正確辨識(shí)率。