摘 要

目前，越来越多的研究者对人体运动姿态的检测投入关注，因为它在提高运动员训练水平、患者康复训练、老人健康监测等领域都有着重要的实际应用价值。并且近几年来MEMS技术发展迅速，基于MEMS惯性测量单元的微惯性测量系统成为了全世界学者的研究热点，由于具有体积小、重量轻、功耗低、稳定性强等众多优点，采用MEMS器件组成的微惯性检测单元来进行运动姿态的检测成为了目前比较受欢迎的人体姿态检测方法。因此，有必要对其展开研究。

本文采用的MTx系统可以用来测量姿态和航向，其最突出的优点是精度较高，灵活性好，本论文首先简述了MTx的测量方法，并祥述了姿态检测数据的不同输出模式。通过动手实验对被测物体在不同运动状态下的姿态进行测量，最后通过MATLAB对系统输出的姿态数据进行处理、分析，以此来验证本文所用姿态检测系统的有效性。

本文的主要研究内容：首先，介绍了组成陀螺仪和加速度计的工作原理，详述了MTx的三种不同数据输出模式，以及串口数据接收的过程。其次，通过实验分别测量惯性传感器静置于水平面以及固定在人体上肢上随着上肢的运动所输出得信号。最后，通过MATLAB软件对系统的测量数据进行处理、分析，实验结果表明，MTx系统可以有效地检测人体的运动姿态。

关键词：MEMS；MTx；人体姿态检测；四元数

Abstract

At present, more and more researchers to detect the human body motion attitude investment concern, because the athletes to improve the level of patient rehabilitation, elderly health monitoring and other fields have important practical value. MEMS technology is developing rapidly in recent years and, based on micro inertial measurement system MEMS inertial measurement unit become a hot topic worldwide scholars, since with small size, light weight, low power consumption, high stability and many other advantages, the use of MEMS devices micro inertial sensing units to detect motion gestures become more popular in the current body posture detection method. Therefore, it is necessary to expand the study.

MTx system used in this paper high precision, flexibility, and can be used to measure the attitude and heading, this thesis outlines MTx measurement method, and various output modes Cheung said attitude detection data. Through hands-on experiments measured object under different attitude motion measured by MATLAB final attitude data output of the system for processing, analysis, in order to verify the effectiveness of this attitude detection system used.

The main contents of this paper: First, learn the composition of the gyroscope and accelerometer works, detailing MTx three different data output mode, and the process of serial data reception. Secondly, experiments were measured by inertial sensors placed on the level of static and fixed with the output signal of the upper limb movement on the human upper limb. Finally, the MATLAB software for measurement data systems for processing, analysis, experimental results show that, MTx system can effectively detect the human body motion attitude.

Key Words：MEMS；MTx；body posture detection；quaternion

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文研究的背景和意义 1

1.2 人体姿态检测的国内外发展历史及研究现状 2

1.3 本文主要内容及任务要求 5

第2章 姿态检测系统原理 6

2.1 MTx简介 6

2.2 微机械陀螺仪原理 7

2.3微机械加速度计原理 8

2.4 惯性传感器测量输出的数学描述 10

2.5 MATLAB简介 12

第3章 串口接收程序与姿态检测实验 13

3.1 串口接收程序 13

3.2 姿态检测实验 15

第4章 姿态分析 17

第5章 总结 23

参考文献 24

致　谢 26

第1章 绪论

1.1 论文研究的背景和意义

（1）背景：从古至今，都有很多学者在研究人体运动的各种规律，而近代以来，越来越多的研究者开始深入研究人体运动姿态的检测及分析，人体运动姿态检测分析是指通过采用某种手段对人体的运动姿态进行检测、跟踪，以此来获得人体运动的各种姿态参数，然后对人体的运动姿态进行描述以及解释。随着研究者对这方面研究的深入，这也逐渐发展成为了一门新的学科---人体运动学。简而言之 ，人类一直在尝试用各种方法、手段来检测和解释人体自身的运动规律。研究者通常会根据人体结构的特点来建立适合的部分或整体的模型，然后通过各种方法来测量人体结构在运动过程中的位移、速度、角速度、加速度、惯性等运动参数，并以所建立的模型为基础对数据进行分析和处理，最终就可以得到人体的运动姿态信息。从近些年的研究成果来看，因为具有体积小、质量轻、成本低、抗冲击、功耗低、可靠性高等众多优点，使得用MEMS传感器组合成为了进行人体姿态检测的最常见方法。

（2）意义：人体运动姿态信息在医学的损伤评估、患者的康复训练、提高运动员的训练水平、仿生机构设计、运动能力评定、人机工程设计等领域都有着重要的应用价值。要想进行人体生物力学方面的研究，首先要能够获取真实准确的人体运动姿态信息。例如将采集到的人体运动姿态信息用来驱动虚拟人体动画可以直观地显示人体运动的详细分析过程，有助于运动员更科学地训练和进行医学损伤评估，以及制定科学的康复训练计划等。运动姿态检测与分析也可以应用于机器人的研究中，在机器人的运动过程中获取机器人的运动姿态信息，可以使人类对机器人进行更加精确的控制；同时人体姿态检测与分析也广泛应用于医学检测、遥测遥控、航空、航天、航海等领域当中。在航空航天以及航海等领域中，需要研究在特殊环境下人体的运动损伤情况以及如何提高人在这种环境下的适应能力，在人体骨科康复领域，为了评估伤病的恢复水平，通常采用步态分析对受伤部位进行功能性评估。以上举例均为人体姿态检测与分析在各个领域中的应用实例，而长久以来，有各种各样的方法可以检测人体的运动姿态信息，从近些年的发展趋势来看，基于MEMS惯性测量单元的检测系统被越来越广泛地使用，特别是在对于人体姿态检测与分析的研究方面。