集成Arduino和Xsens（Awinda惯性测量套件的可穿戴式人体运动测量设备原型）

摘要：

根据高精度行人室内自主导航定位的应用需求，设计了一种集成Arduino和Xsens Awinda惯性测量套件的可穿戴人体运动测量设备样机。该系统易于佩戴，可靠性高。实现了IMU信息和脚间距的同步测量，支持数据的无线传输、远程存储和分析。通过改进的双SRF10超声波测距模块连续采集双脚距离，结合双脚惯性测量数据，利用零速检测算法获得行走步态规律，有助于提高行人惯性导航的定位精度。

0简介

目前，自主导航技术主要依靠空间和时间上的步态参数，并结合生物特征进行运动估计和导航定位。一种思路是利用传感器测量目标部位的运动信息，通过分析人行走的信号特征来估计运动特征并确定步频和步幅，结合航向测量系统获得运动轨迹。缺点是在实际行走过程中，鉴于情况多变，很难保持较高的信号识别率。另一种思路是检测脚着地时的零速状态，将零速值作为卡尔曼滤波的观测值，修正惯导解算误差。人走路时双脚落地时间短，辅助作用有限。而且零速状态检测法对陀螺仪输出误差的修正作用有限，随着时间的推移会造成行走轨迹的较大偏差。

英尺距离是一种可用的导航辅助手段。目前该思路的研究工作主要分为三个方向：(1)通过跟踪两足距离标定两陀螺的零偏，从而抑制方位漂移，其中利用超声波收发器确定两足距离[1]；(2)在算法中设置两脚之间的距离阈值约束，减少航向误差[2-4]；(3)利用单次发射多次接收的思想，在脚上分别安装多个超声波收发器，通过不同位置接收器的时间差获得脚步的位移信息和姿态信息[5]。

本文以这一思想为出发点，设计了以Arduino开发平台和Xsens Awinda MTw惯性传感器为核心的穿戴式人体运动测量设备样机，实现了惯性信息和脚间距的连续同步测量。

1系统原理

MEMS惯性测量单元(MEMS IMU)用于测量两足动物运动过程中安装位置的惯性数据。平台的设计目标满足四个关键点：(1)实际步态条件下脚间距的实时测量需要准确稳定的数据和灵敏的数据反馈；(2)同步采集各传感器的测量信息；(3)自动保存和处理数据；(4)设备便携，使用方便，易于佩戴。该系统的硬件配置思想如图1所示。

采用两个超声波测距模块测量任意相对位置的脚间距，超声波数据发送端负责测距，每隔一定周期将数据无线传输到超声波数据接收端。另一方面，中央控制单元同步采集双足惯性运动的信息，并传送给计算机。通过计算机结合控制时序获得各传感器的同步测量信息。

2系统硬件设计

2.1 Xsens MTw Awinda套件

Xsens MTw Awinda惯性测量开发套件包括一个数据中央控制单元Awinda站和多个惯性传感器MTw。基于IEEE 802.15.4的无线Awinda协议确保数据传输到Awinda站。MTw单元间数据采集同步误差小于10 s，单元内部采样率为1 800 Hz。Awinda站包括四个BNC同步I/O端口，其中两个同步输出端口Sync Out Line1和Sync Out Line2向外部发送控制信号。控制信号源自内部帧Trans

该设备使用两块Arduino开发板作为核心控制模块。一个作为超声波数据的测量和发送端，负责超声波数据的采集和发送，随身携带。另一个用作超声波数据接收器，与Awinda站的数据同步。

2.3测距模块

根据脚对脚测距现场的要求，本设备采用超声波测距。Antech SRF10测距范围3cm ~ 6m，精度1 cm，具有滤波降噪功能。探头的波束角为72，包括三个主要部分：400ST100发射探头、400SR100接收探头和控制电路。数据通过I2C协议进行通信。要在同一I2C总线上连接SRF10，必须配置不同的I2C地址。注意Arduino和SRF10的I2C地址转换。

范围和模拟增益可以通过SRF10寄存器修改，适当的参数可以降低测量误差。增益调整得越大，接收弱回声的灵敏度就越大。

为了适应正常步态条件下步幅的实时测量，扩展了SRF10发射探头与控制芯片的连接，改造了相关超声模块。使用激光测距校准测量误差。测量距离和实际距离之间的关系如图2所示。当实际距离小于20 cm时，测量值偏差较大。

超声波测距模块方向性测试如图3所示。当发射和接收探头之间的相对角度在50以内时，改进的SRF10可以获得更好的测距结果。两个改造后的测距模块在安装时相隔一定角度。测距原理图如图4所示，测距模块探头之间的夹角为。经过多次预试验，当步距在10cm ~ 100c m范围内时，将夹角调整为60 ~ 100可保证工人正常行走数。在这个系统平台中，夹角设置为90。

I2C总线的SCL和SDA被箝位在高电平，上拉电阻为1.8k。SRF10的SCL和SDA引脚分别与Arduino模拟引脚A5和A4相连，两个SRF10并联作为I2C总线的从机。当模块发送超声波数据采集时，I2C的SDA被拉高以保证数据传输。当获得测距结果后，SRF10再次响应I2C总线，这对于确定系统延迟和实现同步运行非常重要。

2.4无线传输模块

NRF24L01是GFSK的单片射频收发芯片，工作在2.4~2.5 GHz ISM。它通过SPI接口选择通道和设置协议，工作在主从模式和全双工模式，以同步时钟节拍传输无线数据。串行数据流中信号元素的相对位置是固定的。上电后通过CE接口配置模块，该设备使用增强型ShockBurstTM模式控制数据的响应和重传。

两个nRF24L01分别用作发送器和接收器。每个周期采集的两组测距信息同时进行远程传输，实际数据量为8 B。

2.5目标设备的硬件改造和配置

硬件结构图如图5所示。

设备采用TI TXS0108E双向电平转换芯片，保证模块间的正常通信，其最大数据速率为110 Mb/s(推挽式)和1.2 Mb/s(开漏式)。芯片端口a跟踪VCCA引脚的电源电压，并连接到3.3 V电压引脚。b口跟踪VCCB引脚的电源电压，连接5 V电压引脚。输出使能OE引脚输入高电平。

硬件包括数据采集、接收和处理。改造后的对射型SRF10超声波测距模块的发射和接收探头分别安装在不同的Xsens MTw上，探头之间的连接线绕过身体躯干，用魔术贴搭扣固定，Xsens MTw放在鞋面上。自行设计的安装组件具有调节发射探头和接收探头之间角度的功能。MTw坐标系和设备安装示意图如图6所示。

3数据采集和处理流程

该系统的主要工作流程为：设备穿戴安装、目标运动和数据采集、数据无线传输、数据融合、数据存储和处理。图7显示了设备数据采集和传输的过程。收集的运动数据被无线传输

图8示出了MT管理器的同步信号触发模式的设置。Awinda站通过Sync Out Line1向外发送上升沿同步信号，传输周期为10 ms，与IMU数据更新周期相同，信号脉冲宽度为1 ms，Awinda站从给出指令开始记录的时刻开始数据采集和计算，采用间隔过渡记录同步方式，保证数据记录时准确获取Awinda站的系统时钟。

一方面，超声波数据接收器Arduino利用内部中断对Awinda站每帧同步输出的上升沿信号进行计数，实现采集时间的精确同步，同步精度达到1 ms，一旦接收到两次超声波测距数据，同时输出测距值和当前计数结果，得到原始数据。超声波接收器的Arduino程序流程图如图9所示。两个MTw无线惯性传感器的惯性数据更新频率为100 Hz。另一方面，Awinda站将收集的惯性数据输出到计算机，该文件包含MTw的传感器组件读数。

SRF10收集以ms为单位的英尺距离数据，并在数据处理过程中将其转换为距离测量值。由于两个SRF10同时测距会造成干扰，测距时间间隔设置为20 ms，发送端在每次测距结束时会同时向接收端发送两次测距数据。SRF10的测距周期和超声波数据的传输周期都是50 ms。

对于超声波测距频率的选择，要考虑以下几点：(1)普通人匀速行走时，一个完整的步态周期大约需要1.2 s~1.8 s，任意一只脚离开地面的时间约占31.8%[6]；(2)基于人在各种运动(如行走、跑步)中的步幅，将模块的测距范围设置为2 m，测距模块处理数据大约需要5.8 ms，因此SRF10超声波测距的采样周期可以小于该时间长度，调整模拟增益以匹配模块的检测频率和测距范围参数；(3)将超声波测距模块的输出频率和Awinda站的输出频率设置为整数倍，使数据传输相匹配。

在超声波数据发送端，SRF10采集数据后需要延迟一段时间(程序中设置为20 ms)才能从寄存器中读取测量数据。示波器检测超声波探头开始工作时的脉冲信号和超声波数据接收端Arduino接收到的数据的脉冲信号，设备数据传输过程的平均时间总共需要21.5 ms。多出来的1.5 ms主要是花在无线传输过程中的时间。根据数据确定SRF10的具体启动和测距时间，并结合测距数据和IMU数据完成同步采集。

设备的同步过程基于Awinda站的内部时钟，超声波测距周期最快可以调整到30 ms。

4设备数据采集和处理

两个SRF10用于测量人体正常步态条件下的实时脚距。由于超声波探头的波束角度，对于这种设备模块的安装方式，可以同时获得两个测量值，所以需要在一个步态周期内确定相对准确的测量值。为了结合Xsens MTw获取的惯性运动参数，应用零速检测)【7】算法【7】获取双脚相对地面静止的时间段，从而获得步速运动规律。

利用上述零速检测算法，利用这款可穿戴设备进行数据采集和测试，沿直线匀速行走(约5 km/h)，选取数据时间长度为10 s，测量人体运动数据结果如图10所示。

图10(a)和图10(b)分别显示了安装在左脚上的MTw和安装在右脚上的MTw测得的加速度计的三轴输出，以及通过零速检测算法判断的脚处于着地阶段的状态，从中可以得到脚着地、着地、抬脚、摆动等周期性步态。图10(c)示出了分别由两个超声波测距模块获得的测距值。由于声反射测距的特点，实际测量值中存在一些异常值。根据步态信息对两个模块的测距结果进行如下选择和处理：根据惯性传感器的输出判断每一步的运动方向；(2)以行走方向为例，一般情况下，一只脚在刚触地的瞬间位于另一只脚的斜前方，根据上述模块安装条件，选择此时满足该角度测量位置的模块的测距值；(3)对每一步进行上述运算，结合双脚相对位置的变化规律，最终得到双脚间距的实时测量值。同时，去除一些异常值，得到最终的测量结果，如图10(d)所示。

5结束语

该系统集成了惯性测量单元和超声波测距传感器，能够实时直接测量行人运动过程中的脚间距，实现行人导航数据的同步采集，推动了将步幅作为行人导航新约束条件的研究工作。无线通信模块用于实现数据的远程存储和处理，无需随身携带计算终端。佩戴更轻便，数据采集稳定可靠，满足穿戴式人体运动测量的要求。基于此硬件平台，进一步的工作包括：(1)使用更多的超声波测距收发模块，针对各种步态情况，在更复杂的角度测量足部距离；(2)平台整体趋于模块化，为导航鞋功能的完善提供了思路。数据处理部分可以根据实际使用需求移植到其他设备终端。