第8章綜合實(shí)驗(yàn)案例Comprehensiveexperimentalcase引言“本實(shí)驗(yàn)旨在通過采集人體運(yùn)動時各傳感器的信息，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)處理和數(shù)字信號處理技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)一些相關(guān)的應(yīng)用。通過對人體運(yùn)動時各傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，學(xué)習(xí)信號處理的基本概念和技術(shù)，并應(yīng)用于運(yùn)動估計、姿態(tài)估計和步數(shù)計數(shù)等方面。數(shù)據(jù)采集軟件：SensorLog，用于采集傳感器數(shù)據(jù)。傳感器：加速度傳感器、磁力計、陀螺儀、高度計、無偏性設(shè)備運(yùn)動傳感器、壓強(qiáng)傳感器和溫度傳感器。數(shù)據(jù)處理和分析軟件：Matlab和MWorks。手機(jī)MEMS傳感器“”MEMS傳感器，全稱Micro-Electro-MechanicalSystems（微型電子機(jī)械系統(tǒng)），是一種將微加工技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合的新型傳感器。它通過微電子技術(shù)將機(jī)械結(jié)構(gòu)集成到一個芯片上，具有微型化、集成化和高性能的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如航空航天、汽車工業(yè)和消費(fèi)電子等。其中，手機(jī)MEMS傳感器是智能手機(jī)中不可或缺的關(guān)鍵組件，它包括光線傳感器、距離傳感器和加速度傳感器等，賦予了智能手機(jī)更多功能和應(yīng)用場景。Sensorlog軟件SensorLog是一個集多種傳感器數(shù)據(jù)為一體，并能夠進(jìn)行機(jī)器仿真學(xué)習(xí)的軟件，可以得出該程序所在設(shè)備所處環(huán)境的加速度計數(shù)據(jù)、陀螺儀數(shù)據(jù)、聲音分貝數(shù)據(jù)、實(shí)時海拔、GPS定位等。使用SensorLog記錄人體行走的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可導(dǎo)出.csv文件。該軟件功能如左圖所示。加速度計數(shù)據(jù)處理加速度傳感器是一種測量物體運(yùn)動時所產(chǎn)生的加速力的電子設(shè)備，加速力是在物體進(jìn)行加速運(yùn)動時產(chǎn)生的作用在物體自身的力。加速度傳感器獲取的是如右圖中所示的x、y、z三軸的加速度數(shù)值，該數(shù)值包含重力的影響，單位是m/s2。由于在地球上的物體總會固定受到自身重力的影響，因此手機(jī)內(nèi)置加速度傳感器的讀數(shù)總會包含重力加速度的讀數(shù)。圖4-1

智能手機(jī)嵌入式傳感器的坐標(biāo)系加速度計數(shù)據(jù)處理圖4-2

智能手機(jī)內(nèi)置的嵌入式加速度傳感器圖4-3

幾種高端平臺使用的加速度傳感器加速度計數(shù)據(jù)處理加速度傳感器記錄的是智能手機(jī)設(shè)備關(guān)于時間的各方向加速度，包括合加速度、線性加速度以及重力加速度。我們利用從智能手機(jī)的加速度傳感器中獲取到的原始數(shù)據(jù)流可以分析使用者的不同動作。在本例中，使用MWORKS處理加速度計數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析：圖4-4

加速度計的數(shù)據(jù)圖4-5

前500個數(shù)據(jù)的加速度數(shù)據(jù)變化加速度計數(shù)據(jù)處理通過分析加速度傳感器數(shù)據(jù)的峰值，我們可以判斷人體的步行或跑步動作，并計算步數(shù)。圖4-6

前500個數(shù)據(jù)的整體加速度數(shù)據(jù)變化圖4-7

步數(shù)估計圖4-8

前500個點(diǎn)的步數(shù)估計陀螺儀數(shù)據(jù)處理陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或兩個軸的角運(yùn)動檢測裝置。它的功能是：測量圍繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角速度以計算圍繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度。與加速度傳感器類似，陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)也為三軸數(shù)據(jù)，其可以通過三個軸的聯(lián)合數(shù)據(jù)來檢測手機(jī)的各種動作。三軸陀螺儀的原理圖如右圖所示。圖4-9

陀螺儀傳感器原理圖陀螺儀數(shù)據(jù)處理圖4-10

幾款智能設(shè)備上的三軸陀螺儀傳感器陀螺儀數(shù)據(jù)處理圖4-11

陀螺儀在不同軸向上的角速度三軸陀螺儀最主要的作用在于它可以測量角速度，并且它不受重力和磁場等其他因素的干擾，極大增強(qiáng)了智能手機(jī)設(shè)備的運(yùn)動傳感能力，而使用陀螺儀傳感器測量到的角速度同樣為矢量，具有方向性。在本例中，使用MWORKS處理陀螺儀數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析：圖4-12

陀螺儀在X方向上的角速度及其包絡(luò)陀螺儀數(shù)據(jù)處理圖4-13

陀螺儀在Y方向上的角速度及其包絡(luò)圖4-14

陀螺儀在Z方向上的角速度及其包絡(luò)磁力計數(shù)據(jù)處理圖4-15對磁力計數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化在本例中，使用MWORKS處理磁力計數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析：位置數(shù)據(jù)處理SensorLog使用界面可以顯示出當(dāng)前位置，如右圖所示，latitude表示緯度，可以通過該界面得出自己當(dāng)前位置所處的緯度，altitude表示海拔，longitude表示經(jīng)度，speed表示定位速度，verticalaccuracy表示高程精度，course表示航向，horizontalaccuracy表示水平準(zhǔn)確度。圖4-16SensorLog使用界面位置數(shù)據(jù)處理圖4-17位置數(shù)據(jù)在本例中，使用MWORKS處理位置數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析：朝向數(shù)據(jù)處理圖4-18位置朝向數(shù)據(jù)在本例中，使用MWORKS處理朝向數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析：圖4-19中值濾波后的結(jié)果無偏性設(shè)備運(yùn)動數(shù)據(jù)處理圖4-20角度數(shù)據(jù)變換在本例中，使用MWORKS處理無偏性設(shè)備運(yùn)動數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析：圖4-21前500個數(shù)據(jù)的角度變化無偏性設(shè)備運(yùn)動數(shù)據(jù)處理圖4-22偏航角及其包絡(luò)圖4-23翻滾角及其包絡(luò)圖4-24俯仰角及其包絡(luò)聲音分貝數(shù)據(jù)處理聲音傳感器的作用相當(dāng)于一個話筒。它用來接收聲波，顯示聲音的振動圖像，但不能對噪聲的強(qiáng)度進(jìn)行測量。該傳感器內(nèi)置一個對聲音敏感的電容式駐極體話筒。聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜振動，導(dǎo)致電容的變化，而產(chǎn)生與之對應(yīng)變化的微小電壓。這一電壓隨后被轉(zhuǎn)化成0-5V的電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換被數(shù)據(jù)采集器接收，并傳送給計算機(jī)。圖4-25SensorLog使用界面聲音分貝數(shù)據(jù)處理圖4-26分貝數(shù)據(jù)可視化在本例中，使用MWORKS處理聲音分貝數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析：相對高度數(shù)據(jù)處理圖4-27將相對高度計的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化并平均濾波在本例中，使用MWORKS處理相對高度數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析：壓強(qiáng)數(shù)據(jù)處理圖4-28壓強(qiáng)數(shù)據(jù)可視化氣壓計是根據(jù)托里拆利的實(shí)驗(yàn)原理而制成，用以測量大氣壓強(qiáng)的儀器。在本例中，使用MWORKS處理壓強(qiáng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析：位置數(shù)據(jù)可視化圖4-29經(jīng)緯度數(shù)據(jù)可視化在本例中，使用MWORKS處理位置數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析：圖4-30海拔數(shù)據(jù)可視化運(yùn)動姿態(tài)估計人體行為識別具有廣泛的研究價值和意義，近年來，行為識別技術(shù)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，如老年人監(jiān)護(hù)、健康監(jiān)測、生物健康醫(yī)學(xué)等。如今，社會人口老齡化問題嚴(yán)重，老年人的健康問題成為國家、社會的關(guān)注重點(diǎn)。通過人體行為識別