На текущий момент существует несколько видов систем захвата движения: оптические, механические, магнитные и инерциальные. Большинству таких систем для захвата движения требуется специальное оборудование (излучатели, камеры, механический скелет) или специально оборудованное помещение.

 

Что касается инерциальных систем, то на данный момент среди них нет полностью беспроводных систем: для связи между измерительными элементами используются проводные каналы связи, либо для передачи данных на компьютер используется один беспроводной модуль, а измерительные устройства объединены проводными каналами.

 

Основная идея нашего проекта – это разработка полностью беспроводной инерциальной системы захвата движения человека.

 

Для передачи данных мы используем стандарт IEEE802.15.4. Сегодня это основной стандарт для беспроводных сенсорных сетей.

 

Сенсорные сети в основном используются для мониторинга физического состояния объектов или состояния окружающей среды (температура, влажность, освещенность, давление и т.д.) в различных помещениях. Однако они могут использованы и для отслеживания перемещения и ориентации объектов путем снятия показаний с инерциальных датчиков в режиме реального времени.

 

В нашей лаборатории мы разрабатываем беспроводную систему захвата движения (рис. 1) на базе беспроводной сенсорной сети и инерциальных датчиках.

 

 

Это аппаратно-программный комплекс.

Аппаратная часть состоит из носимых измерительных модулей и координатора, подключенного к персональному компьютеру.

 

Программная часть состоит из программного обеспечения элементов сенсорной сети и специальной студии по обработке и визуализации полученных данных.

Система имеет топологию «Звезда». Носимые измерительные устройства собирают данные об ориентации и перемещении и отсылают ее на координатор. Координатор отправляет полученные данные на персональный компьютер, где все данные обрабатываются и либо визуализируются в реальном времени, либо сохраняются для последующего использования.

В качестве координатора используется универсальная платформа беспроводной сенсорной сети (рис. 2), которая была разработана в нашей лаборатории. Платформа имеет все необходимые интерфейсы (I2C, SPI, UART) для подключения внешних сенсоров.

 

 

Мы также разработали собственное носимое измерительное устройство (рис. 3).

 

В качестве датчика используется инерциальный MEMS-сенсор (рис. 4). В данный сенсор интегрированы трехосные акселерометр, гироскоп и магнитометр. Это позволяет получить 6 степеней свободы для захвата движения:

 

Краткие характеристики сенсора:

· Трехосный гироскоп, ±300°/сек

· Трехосный акселерометр, ±18 g

· Трехосный магнитометр, ±2.5 gauss

· Заводская калибровка точности

· Размер, 23х23х23 мм

· Температурный режим работы: −40°C - +105°C

 

Инерциальный сенсор подключен к беспроводному микроконтроллеру (рис. 5)  с низким энергопотреблением. Данных микроконтроллер включает в себя 32 битный RISC процессор, встроенную память, приемо-передатчик, SPI интерфейс для подключения инерциального сенсора, UART для связи с персональным компьютером.

 

Эксперименты показывают, что при питании измерительного модуля от 2-х батарей типоразмера АА 1.5В, модуль работоспособен не менее 5 часов непрерывной работы.

Основная программная часть системы – это специальное ПО для обработки и визуализации данных. Программная студия визуализирует движение в режиме реального времени, позволяет сохранять данные в формате файла BVH, который совмести с существующими системами 3-хмерной визуализации, и воспроизводить ранее сохраненную анимацию.

 

Основные функции системы:

Мы используем беспроводную сенсорную сеть, где каждый узел полностью автономен, не требуется специально подготовленного помещения для захвата движения.

Система легко расширяема новыми измерительными модулями.

 

Области применения:

Наш измерительный модуль, как и вся система в целом могут быть использованы в различных приложениях: виртуальная реальность, Motion Capture системы, тренировочные системы, игры и т.д.

 

Доступны новые модули! Размеры: ДхШхВ 50х34х10 мм