一种信息采集系统和方法、人机交互系统和方法及一种鞋技术方案

本发明专利技术涉一种信息采集系统和方法、人机交互系统和方法及一种鞋。本发明专利技术提供的运动信息采集系统包括：数据采集单元，用于采集加速度数据；数据处理单元，对加速度数据进行处理；数据传输单元，用于将处理后的结果通过无线传输的方式发送给终端；和其中，数据处理单元包括根据所采集的加速度数据获得运动信息的程序。终端通过无线接收模块接收到上述运动信息，并用以和上位机软件实现交互，包括运动信息的综合显示、控制上位机执行操作以及控制体感游戏。本发明专利技术提供的具有人机交互功能的鞋特别适于用脚来完成的游戏，实现了没有束缚的新型控制方式，以人脚部的运动状态来直接控制软件或游戏。本发明专利技术提供的人机交互系统和方法能够实现人体运动模式识别的功能并能达到人机交互的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及模式识别、电子信息技术与计算机科学领域，尤其设计一种带有运动数据检测与体感游戏功能的鞋和系统，以及一种人机交互的方法。
技术介绍
随着电子技术的发展，传统制鞋业领域出现了一种新型运动鞋——智能运动鞋。智能运动鞋是一种运动或者健身的辅助工具，其在普通运动鞋内部安装传感器以测算用户的运动数据。然而，现有的智能运动鞋只能用来测量速度、里程、高度等“直接”、“简单”的运动数据，不具备对所测量的数据进行处理、分析的能力。也就是说，其无法对人体运动模式这种“间接”数据进行识别，如对人体脚步移动方向的判断，也就更不可能进一步利用人体不同的动作进行人机交互的控制，如进行PC或手机端的游戏交互控制等。人体运动模式识别的主要难点在于三点:其一、用于人机交互如体感游戏控制过程中，人的运动是没有规律性的，多属于随机动作，因此相比于跑步和走路这种规律性运动，运动模式的准确识别难度要比测量速度和里程等数据大的多；其二、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems微机电系统)元件具有漂移的特性，随着使用时间的推移和温度的变化，其输出值会随之漂移，因此这种漂移特性给人体运动模式识别的方法提出了更高的要求；其三、每个人的脚部运动模式有其特殊性，如有些人是外八字步和内八字步等，需要给出一种普适性的实现方案，可以适应于大多数人群，这也给运动模式识别带来了很大的困难。而在游戏娱乐领域，对于需要用脚来进行的游戏，如跳舞类、足球类游戏，以及最新的跑酷类游戏，大多数依然还是在用传统人机交互方式如手柄、键盘以及触摸屏来控制。如国内非常流行的跳舞机类游戏《劲舞团》和《QQ炫舞》，基本还是在用键盘的“上下左右”等方向键来控制。目前已经有部分跳舞机类游戏采用了 “跳舞毯”进行游戏，但是这种跳舞毯的局限性较大，比如，跳舞毯的大小是固定的，对于不同身高腿长的人群(大人和小孩子)，没有普遍适应性；再如，用户需要踩到固定的位置(压电感应的传感器放置位置)，才能产生控制信号，用户的运动空间受到跳舞毯大小和放置位置的制约，控制方式死板。综上所述，无论是运动领域还是娱乐领域，特别是适于用脚来完成的游戏，亟待一种没有束缚的新型控制方式，以人脚部的运动状态(例如移动方向)来直接控制运动或游戏，达到一种自然和谐人机交互的目的。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题本专利技术旨在提供一种低成本、低功耗的解决方案，以实现人机交互，特别是实现人体脚部的运动数据测量以及运动模式识别，并进一步实现人机交互。设计了一种基于单个三轴加速度计和低功耗无线通讯技术的人体脚部运动信息采集传感器，可以放置在鞋子的足弓处，基于步态识别技术以及对MEMS元件漂移的补偿算法，可以计算人体运动数据。并基于模式识别技术，进一步实现了人体脚部的不同动作的识别，并将识别出的动作进一步用于人机交互。系统整体设计以低功耗为目标，除了在选用硬件上注重低功耗以外，在通讯协议和数据交互方式上，采用了休眠唤醒机制和事件驱动型的数据发送方式，以降低计算功耗和通讯开支，从而实现整体系统的低功耗。本专利技术除了可以实现规律运动如跑步和走路等的运动数据计算外，还可以实现人体无规律运动时的运动模式检测，并利用不同的动作直接控制体感游戏。特别的，当上位机是PC机时，基于Windows系统API，本专利技术可以将人体不同的动作通过模拟系统输入的方式，映射为PC的键盘和鼠标输入。2、解决其技术问题采用的技术方案本专利技术所述的一种运动信息采集系统，包括:数据采集单元，用于采集加速度数据；数据处理单元，对加速度数据进行处理；其中，数据处理单元包括根据所采集的加速度数据获得运动信息的程序。数据采集单元包括:基于三轴加速度传感器，其用于获得采样周期T的三个轴向的电压信号Vx，Vy和Vz。数据处理单元包括:中央处理单元，其用于处理电压信号Vx，Vy和Vz并根据电压信号Vx，Vy和Vz获得运动信息。中央处理单元包括:信号调理单元，其对电压信号Vx，Vy和Vz进行处理以获得数字化的加速度运动信息。运动 η息包括米样周期T的二个轴向的加速度值ax，ay和az，加速度值ax，ay和az是通过下述公式计算得到的:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运动信息采集系统，其特征在于，包括：数据采集单元，用于采集加速度数据；数据处理单元，对所述加速度数据进行处理；其中，所述数据处理单元包括根据所采集的加速度数据获得运动信息的程序。

【技术特征摘要】
1.一种运动信息采集系统，其特征在于，包括: 数据采集单元，用于采集加速度数据； 数据处理单元，对所述加速度数据进行处理； 其中，所述数据处理单元包括根据所采集的加速度数据获得运动信息的程序。2.根据权利要求1所述的运动信息采集系统，其特征在于，所述数据采集单元包括: 基于三轴加速度传感器，其用于获得采样周期T的三个轴向的电压信号Vx，Vy和Vz。3.根据权利要求2所述的运动信息采集系统，其特征在于，所述数据处理单元包括: 中央处理单元，其用于处理所述电压信号Vx，Vy和Vz并根据所述电压信号Vx，Vy和Vz获得所述运动信息。4.根据权利要求3所述的运动信息采集系统，其特征在于，所述运动信息包括采样周期T的三个轴向的加速度值ax,ay和az,所述加速度值ax,ay和az是通过下述公式计算得到的:5.根据权利要求4所述的运动信息采集系统，其特征在于，对所述采样周期T的三个轴向的加速度值\，\和az进行数字滤波以分别得到采样周期T的三个轴向的修正的加速度 值axf,ayf和azf6.根据权利要求5所述的运动信息采集系统，其特征在于，所述运动信息包括运动方向角Θ，其中，Θ是矢量(fx，fy，fz)的方向角，所述fx、fy、fz是通过下述公式计算得到的:7.根据权利要求6所述的运动信息采集系统，其特征在于，根据下述步骤判断运动方向: (1)将Θ在XYZ坐标系中映射为θζ，其中为在XOY面上投影的角度，取值范围为0，360单位度；ΘΖ表示与Z轴正向的夹角，以Z轴正向为基准，取值范围为0，180， (2)将XYZ坐标系划分为5个区间Θi，Θ 2，Θ 3, Θ 4，Θ 5 ； (3)如果ΘJ > 05且0xQy e (O, Θ:), 0xoy e (θ4，360)，则运动方向为向前；如果θ J > 95且0xQy e ( θ 17 θ2)，则运动方向为向左；如果I θζ| > θ5且0xQy e (θ2，θ3)，则运动方向为向后；如果I ΘΖ| > 05且e ( θ 3, 04)，则运动方向为向右；如果ΘΖΙ < 05且0My e (0，360)，则运动方向为向上。8.根据权利要求7所述的运动信息采集系统，其特征在于，其中Q1,θ2，θ3，θ4，θ5是通过采集不同性别、不同身高的用户的运动数据，利用统计规律修正得到的。9.根据权利要求5所述的运动信息采集系统，其特征在于，所述运动信息包括距离值Distance,所述距离值Distance是通过下述公式计算得到的:10.根据权利要求5所述的运动信息采集系统，其特征在于，所述运动信息包括距离值Distance,所述距离值Distance是通过下述公式计算得到的:11.根据权利要求3所述的运动信息采集系统，其特征在于，所述运动信息包括高度值，所述高度值Height是通过下述公式计算得到的:.1 Te-Ts^112.根据权利要求5所述的运动信息采集系统，其特征在于，所述运动信息包括采样周期T的瞬时速度值V(t)，所述瞬时速度值V(t)是通过下述公式计算得到的:13.根据权利要求5所述的运动信息采集系统，其特征在于，所述运动信息包括平均速度值Vavg (t)，所述平均速度值Vavg (t)是通过下述公式计算得到的:14.根据权利要求3所述的运动信息采集系统，其特征在于，所述数据处理单元包括: 信号调理单元，其对所述电压信号\，Vy和Vz进行处理以获得数字化的加速度运动信肩、O15.根据权利要求1所述的运动信息采集系统，其特征在于，其还包括: 电源单元，用于为所述运动信息采集系统供电； 电源控制芯片，用于将所述电源单元输出的电压处理稳定为所述运动信息采集系统其他各模块所需的电压。16.—种鞋,其特征在于,包括: 鞋子本体，和 如权利要求1-15中的任一项所述的运动信息采集系统，所述运动信息采集系统用于获得用户所穿的鞋子本体的运动信息。17.—种人机交互系统,其特征在于,包括: 如权利要求1-15所述的运动信息采集系统，所述运动信息采集系统用于获得用户脚部的运动信息； 无线接收模块，所述无线接收模块通过无线传输的方式与所述运动信息采集系统进行无线连接； 终立而;和 终端中所运行的软件或程序； 其中，无线接收模块与终端通过外设接口进行直接连接。18.根据权利要求17所述的人机交互系统，其特征在于，所述外设接口为USB接口、迷你USB接口或微型USB接口。19.根据权利要求17所述的人机交互系统，其特征在于，其中所述无线接收模块与所述运动信息采集系统的无线连接所采用的装置为Zigbee装置或低功耗蓝牙装置。20.根据权利要求17所述的人机交互系统，其特征在于，所述终端是PC机、手机或智能电视。21.根据权利要求17所述的人机交互系统，其特征在于，所述无线接收模块包括: USB/UART接口转换芯片，用于将所述无线接收模块接收到的数据类型转换为可传输格式。22.根据权利要求21所述的人机交互系统，其特征在于，当PC机为Windows操作系统时，所述人机交互的实现利用Windows API将人体不同的动作映射为键盘和/或鼠标的不同输入，从而实现人机交互。23.如权利要求22所述的人机交互系统，其特征在于，将人体不同的动作映射为键盘和/或鼠标的不同输入包括: 1)建立动作到人机交互指令序列的映射； 2)根据配置文件解析键盘扫描码或者鼠标输入； 3)调用系统API实现键盘或鼠标模拟。24.一种获得运动信息的方法，其特征在于，包括以下步骤: 采集加速度数据； 对所述加速度数据进行处理； 其中，对所述加速度数据进行处理的步骤包括根据所采集的加速度数据获得运动信肩、O25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述采集加速度数据的步骤包括: 基于三轴加速度传感器获得采样周期T的三个轴向的电压信号Vx，Vy和\。26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述对所述加速度数据进行处理的步骤包括: 通过中央处理单元处理所述电压信号Vx，Vy和Vz并根据电压信号获得运动信息。27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述运动信息包括采样周期T的三个轴向的加速度值ax, ay和az,所述加速度值ax, ay和az是通过下述公式计算得到的:28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，对所述采样周期T的三个轴向的加速度值ax，ay和az进行数字滤波以分别得到采样周期T的三个轴向的修正的加速度值axf，ayf和 azf。29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述运动信息包括运动方向角Θ，其中，Θ是矢量(fx，fy，fz)的方向角，所述fx、fy、fz是通过下述公式计算得到的:30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，根据下述步骤判断运动方向: (1)将Θ在XYZ坐标系中映射为θζ，其中为在XOY面上投影的角度，取值范围为0，360单位度；ΘΖ表示与Z轴正向的夹角，以Z轴正向为基准，取值范...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋子健，刘高峰，金辉，吕建勋，
申请(专利权)人：宋子健，刘高峰，
类型：发明
国别省市：