一种运动手表的设计,运动状态识别总体方案.doc
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1、一种运动手表的设计,运动状态识别总体方案摘要:为了弥补市场上现有产品缺少对乒乓球和羽毛球运动状态识别的现状,设计了一个佩戴于持球拍手腕就可以识别这两种运动中多种状态的手表。其硬件主要采用STM32F103C8T6单片机、MPU6050传感器、蓝牙串口模块。运动状态识别实现方法:由3轴加速度和3轴角速度计算出以大地坐标为参考系的3轴角度,数据经过高通滤波、平滑、数据分窗的预处理后进行特征值提取;再依据随机森林分类识别算法,识别乒乓球、羽毛球运动过程中的多种状态。该手表具有硬件成本低、体积小、功耗低等特点,经过测试,其识别率可达90%以上。0 引言近年来穿戴式设备是开发的热点项目,各种品牌的运动手
2、表、手环层出不穷,穿戴式运动状态识别设备的应用前景可观。现在市场上的产品对运动状态识别集中在识别某个时间段进行的某种运动,如走路、跑步、睡眠,缺少对乒乓球、羽毛球运动识别的设备。而专业的运动识别的设备集中在视频图像的分析和不同部位多传感器装置检测分析两种方式,两种方式设备体积大、成本高,只适合在实验室中使用,不适合向普通大众推广。目前运动状态分类识别算法主要有动态K近邻、决策树、随机森林、支持向量机、神经网络等。为了满足乒乓球和羽毛球业余运动爱好者对运动过程动作状态识别记录的要求,本文将介绍一种运动手表的设计。它由简单硬件构成,利用在时域上分析的随机森林分类算法就可以识别乒乓球和羽毛球运动的多
3、种状态。本设计具有体积小、功耗低、成本低的特点,可以嵌入到现在已有的智能手表中,做到功能升级。1 运动状态识别总体方案1.1 运动手表硬件设计乒乓球/羽毛球运动状态识别手表的硬件主要由控制处理核心STM32单片机、MPU6050传感器模块、BLE 蓝牙模块、按键模块、显示模块、电源管理模块6部分组成。手表系统工作原理为: 控制处理核心STM32F103通过IIC接口读取MPU6050的加速度计和陀螺仪数据,利用数字运动处理器(DMP)输出四元数后解算得到3轴欧拉角7。经过数据滤波后用相应的识别算法对运动状态进行识别,将识别的信息用OLED显示屏显示并通过蓝牙模块发送到上位机。各个模块的功能如下
4、。(1)控制处理核心:选择意法半导体STM32F103C8T6,它控制整个系统的各个模块工作状态、传感器数据的处理和识别算法的实现。它运算速度快、体积小、功耗低、外设丰富,满足腕戴式手表对体积、速度、功耗的要求。(2)传感器模块:传感器采用MEMS数字传感器MPU6050,它由整合了加速度计、陀螺仪的6轴传感器和一个可扩展的DMP组成。相比于多传感器的方案,它避免了时间轴之差的问题,并减小了体积8。传感器通过IIC接口将数据传输到单片机中。(3)BLE蓝牙模块:选用型号为CC2541的BLE蓝牙串口模块,BLE技术具有低成本、低功耗、短距离的特点。该蓝牙模块最高支持2 Mbit/s的传输速率,
5、工作电流小于20 mA,满足系统UART串口设计的115 200 bit/s波特率的通信要求。(4)按键模块:主要完成模式选择以及手表的开关机。(5)显示模块:选用0.96英寸OLED显示屏,显示单元能够自发光。全屏点亮时功耗为0.08 W,正常全屏显示汉字仅需0.06 W,很符合手表低功耗的要求。(6)电源管理模块:选用 TD8208升压芯片将3.7 V锂电池升压到5 V,再经过AP2125K-3.3芯片降压到3.3 V。两款电源芯片均有输出使能端,可通过控制使能端实现对其他模块的电源管理。手表硬件连接图如图1所示。1.2 运动手表系统状态设计系统设计主要有关机状态、时间显示状态、模式选择状
6、态、乒乓球模式、羽毛球模式、自识别模式6个状态,各个状态通过按键选择进行切换,状态转换图如图2所示。由图2可知,系统初始状态为关机状态,通过长按开关机键使系统开机并进入时间显示状态。如果不进行按键选择,系统将保持在时间显示状态。如果按动选择按键,系统将跳转到模式选择状态,再通过按动模式选择按键进入对应的工作模式。如果进入乒乓球模式或羽毛球模式,就对运动中挥臂、挥拍、正反手等动作进行识别。如果选择自识别模式,系统先识别当前运动是乒乓球运动还是羽毛球运动,识别成功后再自动跳转到对应的模式下进行运动状态识别。如果需要重新选择运动模式,通过返回按键使系统返回到时间显示状态,重复上述选择方法进行模式选择
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