基于蓝牙传输的姿态轨迹硬件采集系统

本发明是一个涉及到姿态运动学、姿态测量技术、mems传感器技术、短距离无线通信技术与捷联惯导系统(sins)误差理论的研究，特别涉及到一种基于蓝牙传输的姿态轨迹硬件采集系统，是一种基于飞碟射击运动训练时枪体的姿态轨迹解算数据采集硬件系统，并进行可视化展示，提高射击运动员训练质量为目的的系统方案来辅助运动员让体育训练科学化，科学训练数据化。

背景技术：

飞碟项目，1929年举行了第一次世界锦标赛，以后即成为历届奥运会、世界锦标赛、亚运会以及亚洲射击锦标赛的主要竞赛项目。飞碟项目近似狩猎活动，趣味性强，深受人们的欢迎。所以我们研究飞碟射击辅助装置就有必要性与推广性。

基于飞碟射击的研究国内早已开始进行，但是大多数都是基于视频或者动作分析进行，实时性与准确性相对较差，资料显示以往都是采用了以视频分析的手段来分析飞碟射击。但对射击环境的要求高，比如天气状况，能见度、风力等因素。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于蓝牙传输的姿态轨迹硬件采集系统，将设计搭建完成面向飞碟射击运动的姿态参数获取硬件系统，通过姿态传感器在运动员射击训练时枪体的移动来实时获取加速度，角速度，欧拉角，磁场，四元数，时间，端口状态等基本数据，通过stm32微处理器来利用蓝牙传送给上位机进行姿态解算，从而获得枪体运动的三位空间轨迹。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于蓝牙传输的姿态轨迹硬件采集系统，包括微处理器、姿态传感器、蓝牙模块、声控开关模块和微小型电源模块；所述微处理器采用stm32单片机，电连接姿态传感器、蓝牙模块和声控开关模块，由微小型电源模块供电。

优选地，通过微处理器采用stm32单片机作为控制中枢，姿态传感器作为数据采集器，结合声控开关模块，通过蓝牙模块将采集到的数据发到上位机平台上进行处理；整个系统通过微小型电池电源模块进行供电；

所述地微处理器采用stm32作为整个硬件采集系统的核心处理器，确定整个运动的有效轨迹，同时将姿态传感器采集到的原始数据通过蓝牙通讯方式与上位机进行交互；

所述的姿态传感器是该硬件采集系统的数据采集源；集成了三轴加速度计、三轴陀螺仪以及一款低功耗微处理器；输出经过传感器融合算法计算得到的基于当地地理坐标的三维方位数据，同时输出原始的传感器数据；

所述的声控开关模块是一种音频集成功率放大器，检测周围环境声音的有无和判断声音强度的大小；当检测到声音信号时，数字输出会输出低电平信号，能判断有效运动的区间范围；

所述的蓝牙通讯模块采用蓝牙5.0bel协议，工作电压在1.8-3.6v，有效传输距离在10米内，通过两个蓝牙模块进行配对信号传输。所述的蓝牙通讯模块可取代传统的串口线，省去了布线工作，更有利于在飞碟射击运动时为运动员带来便利，从而不影响枪杆的原先轨迹。

stm32属于arm内核的一个版本，融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压于一身，同时保持了高集成度和开发简单对的特点，一次能够处理数据宽度为32位，比51单片机速度快，接口相对简单。在整个硬件系统中作为数据处理中枢，相当于上位机与姿态传感器的传输桥梁。同时能够利用声控开关模块传输的信号进行确定数据采集的开始与结束。

优选地，姿态传感器是基于mems技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器，通过内嵌的低功耗arm处理器得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据。利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据。

优选地，蓝牙通讯模块采用hc42是基于蓝牙5.0ble技术，是从蓝牙4.0版本的基础上推出的低功耗(ble)蓝牙无线通讯技术，具有功耗低、小数据传输、成本低等特性。能够实现本地设备间的无线连接。在飞碟射击运动中，由于安全距离的问题，近场通讯技术(nfc)因为传输距离的限制不可利用。同时，wifi由于安全性能差且功耗高，不适合可穿戴、健身、运动等需要低功耗传输的设备。因此，选取了蓝牙ble用于本发明的通讯模块。

优选地，声控开关模块选取lm386声控模块来完成。

优选地，声控开关是在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开启，并经过延时后能自动断开电源的节能电子开关。声控开关由传声器bm、声音信号放大、半波整流、光控、电子开关、延时和交流开关电路组成。lm386是一种音频集成功率放大器，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。可以有效的检测周围环境声音的有无和判断声音强度的大小。当检测到声音信号时，数字输出会输出低电平信号，有利于判断有效运动的区间范围。

优选地，电源模块主要通过锂电池和稳压电源转换模块来完成。

电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，其特点是可为专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列(fpga)及其他数字或模拟负载提供供电。整个硬件系统模块电源电压要求均在3v-6v以内，为了满足低功耗、高续航的要求，同时因运动特性决定需要体积小，重量轻的特点，所以选取了锂电池进行供电，同时搭配稳压电源转换模块来实现输出电压的稳定。

优选地，各模块之间的具体连接方式：姿态传感器通过iic和stm32单片机相连，蓝牙模块通过串口和stm32单片机相连，声控开关模块通过i/o口和stm32单片机相连。

优选地，整体模块低功耗：整个模块所需电压不超过5v，电流只需要53ma。

优选地，声控开关的确定方式：声控开关模块在检测到声音信号时数字输出口会输出低电平信号，考虑到实际枪响时间，设计一个延时时钟，在0.5s后检测到下一次低电平信号时为运动结束。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明采取基于蓝牙传输的姿态轨迹硬件采集系统，通过微处理器stm32单片机作为控制中枢，姿态传感器作为数据采集器，结合声控开关模块，通过蓝牙模块将采集到的数据发到上位机平台上进行处理，整个系统通过微小型电池电源模块进行供电，力图为研究飞碟射击技术开拓一条新路径；

2.本发明不仅满足了低功耗、实时性、轻便性等要求，还能实时帮助运动员对射击过程图形化、数据化显示；

3.本发明系统能提高射击运动员训练质量，来辅助运动员让体育训练科学化，科学训练数据化；

4.飞碟射击项目运动的完成速度非常快，准备完毕到给出击发指令到射击完成仅几秒钟，所以采样速率要快，才能获得足够的数据样本，精确的得到枪体参数，本发明系统的设计完全满足这些要求。

附图说明

图1为本发明基于蓝牙传输的姿态轨迹硬件采集系统框架。

图2为基于飞碟射击的姿态轨迹硬件采集流程。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的优选实施例，根据系统需求，硬件设计需要满足小体积、低功耗以及枪体模块隐蔽性的要求，而轨迹捕获的核心在于选用合适的加速度计与陀螺仪，引入9轴mems运动处理传感器作为惯性测量单元对枪体静止和运动期间的三维姿态参数进行测试。系统硬件各模块间通过蓝牙通信协议的方式进行数据的通信。根据系统基本要求及设计思路对各项器件进行选型及硬件电路的设计。

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，一种基于蓝牙传输的姿态轨迹硬件采集系统，包括微处理器a、姿态传感器b、蓝牙模块c、声控开关模块d和微小型电源模块e；所述微处理器a采用stm32单片机，电连接姿态传感器b、蓝牙模块c和声控开关模块d，由微小型电源模块e供电。

本实施例将设计搭建完成面向飞碟射击运动的姿态参数获取硬件系统的功能模块架构，能通过姿态传感器在运动员射击训练时枪体的移动来实时获取等基本数据，通过stm32微处理器来利用蓝牙传送给上位机进行姿态解算，从而获得枪体运动的三位空间轨迹。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，通过微处理器a采用stm32单片机作为控制中枢，姿态传感器b作为数据采集器，结合声控开关模块d，通过蓝牙模块c将采集到的数据发到上位机平台上进行处理；整个系统通过微小型电池电源模块e进行供电；

所述地微处理器a采用stm32作为整个硬件采集系统的核心处理器，确定整个运动的有效轨迹，同时将姿态传感器b采集到的原始数据通过蓝牙通讯方式与上位机进行交互；

所述的姿态传感器b是该硬件采集系统的数据采集源；集成了三轴加速度计、三轴陀螺仪以及一款低功耗微处理器；输出经过传感器融合算法计算得到的基于当地地理坐标的三维方位数据，同时输出原始的传感器数据；

所述的声控开关模块d是一种音频集成功率放大器，检测周围环境声音的有无和判断声音强度的大小；当检测到声音信号时，数字输出会输出低电平信号，能判断有效运动的区间范围；

所述的蓝牙通讯模块c采用蓝牙5.0bel协议，工作电压在1.8-3.6v，有效传输距离在10米内，通过两个蓝牙模块进行配对信号传输。所述的蓝牙通讯模块c可取代传统的串口线，省去了布线工作，更有利于在飞碟射击运动时为运动员带来便利，从而不影响枪杆的原先轨迹。

在本实施例中，各模块之间的具体连接方式：姿态传感器b通过iic和stm32单片机相连，蓝牙模块c通过串口和stm32单片机相连，声控开关模块d通过i/o口和stm32单片机相连。

在本实施例中，整体模块低功耗：整个模块所需电压不超过5v，电流只需要53ma。

在本实施例中，声控开关的确定方式：声控开关模块d在检测到声音信号时数字输出口会输出低电平信号，考虑到实际枪响时间，设计一个延时时钟，在0.5s后检测到下一次低电平信号时为运动结束。

本实施系统采取基于蓝牙传输的姿态轨迹硬件采集系统，通过微处理器stm32单片机作为控制中枢，姿态传感器作为数据采集器，结合声控开关模块，通过蓝牙模块将采集到的数据发到上位机平台上进行处理，整个系统通过微小型电池电源模块进行供电，力图为研究飞碟射击技术开拓一条新路径；本实施例相同不仅满足了低功耗、实时性、轻便性等要求，还能实时帮助运动员对射击过程图形化、数据化显示；本实施例系统能提高射击运动员训练质量，来辅助运动员让体育训练科学化，科学训练数据化。

实施例三：

本实施例与实施实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，如图1所示为本基于飞碟射击的姿态轨迹硬件采集系统框架。该硬件采集系统中a模块为微处理器stm32单片机，b模块为姿态传感器，c模块为蓝牙通讯模块，d模块为声控开关模块，e模块为电源模块。

其中，a模块微处理器，是整个硬件系统的中枢，负责通过iic将b模块姿态传感器模块采集到的数据通过c模块蓝牙模块传输到上位机上进行处理，并且通过d模块声控开关模块来确定有效的采集区间，得到有效的数据进行处理。整个硬件采集系统通过e模块电源模块来进行供电。

各模块之间的连接方式：姿态传感器通过iic和stm32相连，蓝牙通过串口和stm32相连，声控开关通过i/o口和stm32相连。

如图2所示为本发明的基于飞碟射击的姿态轨迹硬件采集流程，系统开启后，首先检测蓝牙是否连接，通过蓝牙模块上的指示灯进行确定，姿态传感器供电后一直进行数据采集，当系统的声控开关模块检测到声音信号后，通过i/o口向stm32单片机输出低电平信号，单片机开始控制将姿态传感器采集到的数据传送给上位机进行处理，当0.5s后再次检测到低电平信号时，为一次完整的有效运动，此时单片机停止发送数据。

将系统硬件部分进行封装，对系统的整体性能进行测试，能够实现所需功能。这样便可为飞碟射击运动员提供了定量数据来对训练进行调整，提高了训练的效率和质量，达到运动训练科学化，科学训练数据化的目的。

上述实施例基于蓝牙传输的姿态轨迹硬件采集系统，用作飞碟射击运动时枪体姿态参数测试获取系统，本系统主要包括微处理器、姿态传感器、蓝牙模块、声控开关模块和微小型电源模块。飞碟射击项目运动的完成速度非常快，准备完毕到给出击发指令到射击完成仅几秒钟，所以采样速率要快，才能获得足够的数据样本，精确的得到枪体参数。上述实施例的设计完全满足这些要求。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。