人体运动角度测量系统设计与实现

摘要

军人体能考核标准中，俯卧撑、仰卧起坐以及单杠引体向上这三个项目在测试过程中需要运用人体运动角度测量技术，而人体运动中的角度具有多变性与不确定性，不容易清楚地界定，这几项运动在考核中误差比较大，所以设计出专用于这几项训练的考核系统就变得非常迫切。
　　本文基于人体运动角度测量的国内外研究现状，结合部队考核的实际需求，设计了一款基于ZigBee无线通信芯片CC2530以及加速度传感器MPU6050的运动角度测量考核系统。这一考核系统基于MEMS加速度计技术和短途无线射频技术。人体运动角度测量终端采用便携式设计，控制器与终端间的信息交流采用无线传输设计，这两项设计使得考核系统能够有效地采集信息，测量更加准确，同时也使得考核更加方便，满足了部队对考核系统的标准化与智能化需求。
　　整个系统由人体运动角度测量终端、考核总控制器和上位机组成，实现了对人体运动标准动作的计数。测量终端和考核总控制器均使用CC2530作为主控芯片，两者之间通过CC2530自带的RF射频收发器进行数据交流。人体运动角度测量终端安装在动作幅度明显部位，通过MPU6050采集加速度值，利用算法解算人体动作变化的角度，判断运动动作的标准性，最后通过无线通信实现动作计数的上传。用户可以通过上位机进行考核具体操作。
　　经过长时间的测试与改良，运动角度测量考核系统功能都已达成指标，并且具有良好的稳定性，已经在多个部队考核中投入使用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 人体运动角度测量发展历史

1．3 人体运动角度测量国内外研究现状

1．4 军人体能考核系统介绍

1．5 课题研究内容和论文章节安排

1．5．1 课题研究内容

1．5．2 论文章节概括

2 考核系统需求分析与总体设计

2．1 人体运动角度测量原理和具体动作分析

2．1．1 加速度传感器选型介绍

2．1．2 运动姿态分析

2．2 通信可靠性分析与技术选择

2．2．1 总控制器与上位机之间通信技术的选择

2．2．2 总控制器与角度测量终端之间通信技术选择

2．2．3 显示终端与系统的通信技术选择

2．3 人机交互设备的需求分析

2．3．1 考核负责人对人机交互界面的需求

2．3．2 被考核人员对人机交互界面的需求

2．4 运动角度测量考核系统总体结构

2．5 本章小结

3 人体运动角度测量系统硬件设计

3．1 总控制器硬件电路设计

3．1．1 MCU主芯片模块设计

3．1．2 电源模块设计

3．1．3 与上位机通信模块设计

3．1．4 与终端无线通信模块设计

3．2 人体运动角度测量终端硬件电路设计

3．2．1 加速度传感器模块电路设计

3．2．2 PCB天线设计

3．3 PCB电路板绘制

3．4 本章小结

4 人体运动角度测量系统软件设计

4．1 软件开发平台和ZigBee技术

4．1．1 软件开发平台

4．1．2 ZigBee技术介绍

4．2 考核总控制器软件设计

4．2．1 总控制器主流程设计

4．2．2 定时器3中断程序设计

4．2．3 与上位机RS232串行通信程序设计

4．2．4 与测量终端设备之间无线通信程序设计

4．3 人体运动角度测量传感器终端软件设计

4．3．1 加速度补偿算法设计

4．3．2 运动角度测量终端主函数程序设计

4．3．3 加速度传感器与CC2530微处理器I2C通信设计

4．3．4 加速度采集滤波算法设计

4．3．5 运动动作规范性判定算法设计

4．4 本章小结

5 人体运动角度测量考核系统测试与分析

5．1 无线通信模块测试结果与分析

5．1．1 传输距离与数据质量测试

5．1．2 传输速度测试

5．2 传感器终端模块测试结果与分析

5．2．1 加速度补偿测试

5．2．2 角度计算测试

5．2．3 计数算法测试

5．3 考核系统联网测试结果与分析

5．3 成品实物介绍

5．4 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况