开题报告-基于惯性传感器的步态分析系统设计.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：计算机与控制工程学院专 业：电气工程及其自动化设计题目：基于惯性传感器的步态分析系统设计指导教师: 2015 年 4 月 1 日毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：1.1 选题背景 步态是指人类步行的行为特征，涉及行为习惯、职业、教育、年龄及性别等因素，也受多种疾病的影响。由于每个人之间的内在差异，人与人之间的步态模式也存在着不同，但是由于相似的生理结构，健康人的步态模式又是在一系列相似的过程中进行着的。步态又可分为正常步态及病理步态。步行的过程十分复杂，包括中枢命令、身体平衡及协调控制，涉及到下肢各关节和肌肉的协调运动，同时也与上肢的和躯干的姿势有关。随着现代科学技术的飞速发展，可以使用形形色色的功能强大的传感器组合对人类的这一运动的动态参数进行精确地测量。这一类型的研究也得到长足的发展。1.2 目的及意义步态分析是对人类运动功能的综合研究，包括对人类运动特征的测量、研究、描述、分析等。通过步态分析，可以分析出步态周期，计算出人类步态周期的参数。因此，步态分析可以广泛的应用于运动、康复和健康诊断等方方面面。人体的步态分析主要应用如下：（1）临床应用；（2）辅助教学；（3）假肢设计及康复工程；（4）人机工程学；（5）舞蹈和体育；（6）现代制鞋等。根据卫生部统计，我国目前下肢残疾患者已超过500万，关爱残疾人，构建和谐社会是国家的号召。国外的大型步态分析系统价格昂贵，即使在我国一些国家级医院也很少使用，开展简易的步态分析系统前景广阔，社会各界应发挥自己的优势，开创这一事业。1.3 文献综述对“基于惯性传感器的步态分析系统设计”这一设计项目进行检索，共搜集到中外相关文献30篇，通过对搜索到的相关文献进行阅读分析得到的结果如下：检索到的30篇文献有关于人类步态的阐述、人体步态的测量、传感器的分类及应用等。步态分析是生物力学的特殊分支，它利用力学概念和处理手段对人体行走的肢体关节活动进行运动学观察和分析，基于数字视频和图形处理，得到时空参数和运动学参数，进行定性分析和定量分析。步态分析学科最早出现于欧洲文艺复兴时期，随着工业革命的发展和人类认识世界方法的不断进步，现代测量工具不断发展完善，步态分析方法也不断发展，从传统的观察法分析步态到通过视频测量步态，再到现在的主流的通过压力传感器分析步态和通过MEMS惯性传感器分析步态，步态分析学不断地发展完善，这些为临床医学和智能机器人控制等学科发展提供了理论和实践研究基础。使用惯性传感器分析步态信息对比视频及压力传感器的测量方法明显有很大的优点。相比于视频捕捉步态的分析方法，即使在黑暗的条件下采集惯性数据节点也是没有问题的，而且不像视频需要存储大量的视频信息，MEMS传感器只需要保存其自由度内的信息数据。相对于压力传感器进行步态分析，加速度计与陀螺仪采集到的步态运行过程中的加速度与角速度信息可以反映步行者的整个过程，并且加速度与角速度本身就与运动信息直接相关。我计划采用由加速度计和陀螺仪组成的MEMS惯性传感器设计步态分析系统，因为加速度计可以测量物体加速度的大小，同时陀螺仪可以输出物体的转动角速度，而且MEMS惯性传感器成本较低，且不需要存储大量的视频信息，只需保存其自由度内的信息，数据存储的成本也大大降低，由于MEMS惯性传感器的这些优点，所以采用其设计步态分析系统。参考文献 1 周天健.临床实用步态分析学M.北京:北京出版社,1993.16-20.2 丁海曙,容观澳,王广志.人体运动信息检测与处理M.北京:宇航出版社,1992.26-48.3 周凌宏,丁海曙,王广志.正常成人步态与偏瘫步态的比较与分析J.生物医学工程学杂志,1995,(04):315-320.4 伍勰,陆爱云,庞军.健康老年人常速行走的步态分析J.上海体育学院学报,2000,(05):52-55.5 郭忠武,王广志,刘永斌.基于数字视频和数字图像处理的步态分析系统J.航天医学与医学工程,2002,(02)6 丁海曙,王广志,黄欣.用.PSD传感器实现多点运动轨迹的二维和三维实时检测J.清华大学学报（自然科学版）,1992,(04):79-85.7 王人成,董华,黄昌华.低成本人体步态在线检测系统J.清华大学学报(自然科学版),2002,(02)8 叶春步态生物力学研究的新进展期刊论文-科教导刊-电子版（中旬）2013(10)9 Tong KY,Granat MH.Practical gait analysis system using gyroscopesJ.Medical Engineering and Physics,1999,(02):87-94.10 石欣. 基于压力感知步态的运动人体行为识别研究D. 重庆: 重庆大学，2010: 25-28.11 Chris K.Use of multimedia for gait analysisA.1998.12288-22293.12 Ghoussayni S,Stevens C,Durham S.Assessment and validation of a simple automated method for the detection of gait events and intervalsJ.Gait & posture,2004,(03):266-272.13 Boulgouris N V,Hatzinakos D,Plataniotis K N.Gait recognition:A challenging signal processing technology for biometric identificationJ.Signal Processing Magazine IEEE,2005,(06):78-90.14 Kwon D Y,Gross M.Combining body sensors and visual sensors for motion trainingA.ACM,2005.15 Kimmeskamp S,HennigG E M.Heel to toe motion characteristics in Parkinson patients during free walkingJ.Clinical Biomechanics,2001,(09):806-812.16 Steultjens 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宋兰欣.步态分析在神经系统疾病患者康复中的应用J.中国临床康复杂志,2005,(09):158-159.doi:10.3321/j.issn:1673-8225.2005.29.095.26 Lam WK,Leong JC,Li YH.Biomechanical and electromyographic evaluation of ankle foot orthosis and dynamic ankle foot orthosis in spastic cerebral palsyJ.Gait& Posture,2005,(03):189-197.doi:10.1016/j.gaitpost.2004.09.011.27 张今瑜.吴爱明.张立勋一种步态测量方法及其在康复应用中的实验研究期刊论文-医疗装备2008(2)28 李香平.郭彦华.舒彬步态分析方法及临床应用期刊论文-中国伤残医学2011(7)29 Baker R.Gait analysis methods in rehabilitationJ.JOURNAL OF NEUROENGINEERING AND REHABILITATION,2006,(04).30 Suzuki N,Hattori A,Hayashibe M.Development of Dynamic Spatial Video Camera (DSVC) for 4D observation,analysis and modeling of human body locomotionJ.Studies in Health Technology and Information,2003.346-348. 毕 业 设 计 开 题 报 告2. 设计方案：2.1 研究思路与方法 在前期资料调研基础上，本人计划了步态分析的硬件和软件设计。本人应做的工作主要有：根据系统功能需求，参与整体规划，并按功能划分成包括主控制电路、电源模块、传感器模块、开关模块；针对各子模块进行了有关器件的选用，结合各元件特性及工作机制，进行了系统各功能模块的硬件设计；在人体步态测量的基础上进行了系统整体软件流程设计，针对各模块具备的功能设计了相关软件流程，并使用C语言编写了程序代码；完成了硬件和软件设计的调试工作；对设计完成后的步态测试系统进行了测试。2.2 总体设计框图传感器模块制电路模块主控制电路制电路模块开关模块制电路模块电源模块制电路模块 图1 步态分析系统总体设计框图2.3 软件部分画出流程图加速度步态动作信息MEME惯性传感器模块角速度步态动作识别步态信息库结果输出软件接口图2软件部分流程图2.4 各个模块说明1、主控制电路：本设计采用T1的CC2530作为数据采集节点的控制核心，控制传感器模块的的数据采集和数据的无线传输，CC2530是一种真正的IEEE802.15.4的片上系统解决方案，用于Zig Bee和RF4CE的应用，它可以以非常低的材料消耗建立一个非常稳定的网络节点系统。CC2530具有性能优良的RF收发器，整合了增强型的8051MCU，系统可编程闪存，8kB的RAM。2、电源模块：电源模块采用锂电池对系统进行供电，供电电压为3.7-4.2V，而CC2530的工作电压为1.8-3.8V，MPU6050的工作电压为3.3V。所以选用TPS71733降压和稳压芯片，为MPU6050提供稳定的3.3V工作电压。3、传感器模块：传感器模块选用了MPU6050作为六轴数据传感器，该传感器为全球首例整合型六轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合螺纹仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。MPU6050整合了三轴螺纹仪、三轴加速器，并含可藉由第二个IC端口连接其他的加速器、磁力传感器，或其他传感器的数字运动处理器硬件加速引擎，由主要IC端口以单一数据流形式，向应用端输出完整的九轴融合验算技术。4、开关模块：开关模块的作用是控制整个节点的上电和掉电，实现的功能是短按开关S1时，系统上电，长按开关5s以上，系统掉电。实现方法是通过硬件电路和下拉机程序配合共同完成。当短按开关S1时，整个开关电路导通；当要关闭系统时，长按开关，这是，CC2530主控芯片会检测与CC2530相连接的端口P11，如果检测到低电平，则认为开关已经被按下，此时CC2530会给P10一个低电平，使Q3不再导通，所以，系统断电。2.5 设计