基于SWOT理論的國內(nèi)民營快遞企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究及基于加速度傳感器的運(yùn)動信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于SWOT理論的國內(nèi)民營快遞企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究——兼以XX快遞公司及其“嘿客”模式為例摘要：近年來，電子商務(wù)的飛速發(fā)展、國內(nèi)貨運(yùn)業(yè)務(wù)的繁榮使得民營快遞企業(yè)快速崛起。但同時(shí)，民營快遞企業(yè)不僅面對著國有快遞企業(yè)和外貿(mào)快遞巨頭的強(qiáng)大競爭優(yōu)勢，而且受到企業(yè)有限的內(nèi)部資源限制，如何根據(jù)企業(yè)內(nèi)外部環(huán)境做出發(fā)展戰(zhàn)略的調(diào)整就成為了企業(yè)發(fā)展函待解決的問題。本文利用SWOT分析法對民營快遞企業(yè)進(jìn)行深入的分析，并在文末提出建設(shè)性建議，給民營快遞企業(yè)的企業(yè)戰(zhàn)略管理提供決策性支持。關(guān)鍵詞：SWOT分析、民營快遞企業(yè)、企業(yè)戰(zhàn)略管理、XX“嘿客”引言我國民營快遞企業(yè)起源于20世紀(jì)90年代，從無到有，從小到大，作為新興行業(yè)，卻又是增長最快的行業(yè)之一。目前，全國共有快遞企業(yè)1萬多家，其中在工商部門登記備案的超過6800家，民營快遞企業(yè)已實(shí)現(xiàn)低成本的快速擴(kuò)張。但隨著我國行業(yè)體制改革的進(jìn)行，快遞行業(yè)出現(xiàn)以EMS為主的國有快遞企業(yè)、UPS和TNT等外資貨運(yùn)企業(yè)、以及“四通一達(dá)”為主體格局的民營快遞企業(yè)三者相互割據(jù)的市場局面。目前我國民營快遞企業(yè)面臨著巨大機(jī)遇的同時(shí)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，如何根據(jù)內(nèi)外部環(huán)境做出發(fā)展戰(zhàn)略的調(diào)整以謀求長足的發(fā)展，已成為民營企業(yè)迫切需要解決的問題?？爝f行業(yè)的SWOT分析2.1民營快遞企業(yè)的優(yōu)勢（Strength）2.1.1價(jià)格優(yōu)勢價(jià)格往往是顧客選擇一家公司的重要因素，目前EMS的高標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)導(dǎo)致成本較高，例如“蜜蜂箱”服務(wù)點(diǎn)的建設(shè)，價(jià)格也就居高不下，而對于一般的快件送達(dá)，顧客更愿意選擇價(jià)格相對低廉的民營快遞企業(yè)。相對競爭對手，民營快遞企業(yè)在收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)上占有更大的優(yōu)勢。2.1.2管理、服務(wù)方式靈活民營快遞企業(yè)提供的是上門送件、收件的快遞服務(wù)，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中，往往是客戶的一個(gè)電話就有工作人員到指定地點(diǎn)收取快件，或者是提供了附近便利的服務(wù)點(diǎn)。在顧客追求便利的今天，這種靈活度高、個(gè)性化服務(wù)的方式，是民營快遞企業(yè)能夠占據(jù)市場一席之地的重要因素。2.1.3網(wǎng)點(diǎn)密集、自主經(jīng)營的加盟體制在一些居住區(qū)附近不難看見一些民營快遞企業(yè)的收發(fā)點(diǎn)，也有一些店面兼營快遞收發(fā)的服務(wù)（特別在一些高校、小區(qū)）。民營快遞企業(yè)讓加盟商自主經(jīng)營的加盟模式大大降低了自身的擴(kuò)建、管理成本，可以讓自己的企業(yè)迅速地實(shí)現(xiàn)低成本的擴(kuò)張。2.2民營快遞企業(yè)的劣勢（Weakness）2.2.1融資難導(dǎo)致規(guī)模發(fā)展受阻民營快遞企業(yè)遍地開花也帶來了資產(chǎn)結(jié)構(gòu)偏輕、信用記錄不完整等的特點(diǎn)，這直接導(dǎo)致了取得的銀行信用貸款規(guī)模小，不像國有、外資快遞企業(yè)。企業(yè)發(fā)展速度與資金流通速度、額度是成正比的，但目前民營快遞企業(yè)仍然以自有資金為主，融資的方式單一且規(guī)模有限，束縛了企業(yè)發(fā)展。2.2.2信息化程度低，未能建成統(tǒng)一集成的信息系統(tǒng)前文提到民營快遞企業(yè)資金有限，這也導(dǎo)致其在技術(shù)方面投入的缺乏。目前快遞企業(yè)多是人工操作，在網(wǎng)購?fù)緯r(shí)甚至是雇用一些學(xué)生作為臨時(shí)工。相比外資企業(yè)，民營快遞企業(yè)缺少信息技術(shù)設(shè)備等集成的信息系統(tǒng)，使得服務(wù)的時(shí)間成本高，且缺少網(wǎng)上的信息平臺，不能及時(shí)準(zhǔn)確的得到顧客的反饋，這也導(dǎo)致了部分客流量的流失。2.2.3準(zhǔn)入門檻低，產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，缺乏品牌效應(yīng)民營快遞企業(yè)是“遍地開花”的局面，除了最先開始的XX，后來的“四通一達(dá)”，還有許多企業(yè)在分快遞行業(yè)這塊蛋糕，如“天天”“宅急送”等。除了個(gè)別企業(yè)，更多的民營企業(yè)是靠打價(jià)格戰(zhàn)來占據(jù)市場份額，沒有差異化的競爭戰(zhàn)略，缺乏品牌效應(yīng)。民營快遞企業(yè)的內(nèi)部競爭會消耗民營企業(yè)的戰(zhàn)斗力，很難在長期的內(nèi)外夾攻中生存下來。2.2.4人才素質(zhì)不高，管理技術(shù)水平低由于快遞工作性質(zhì)更多的是勞力上要求，導(dǎo)致很多高技術(shù)人才不愿意從事，民營快遞企業(yè)人員隊(duì)伍更多的是偏向于中低端，且企業(yè)在人力成本上的節(jié)約，以及對內(nèi)部培訓(xùn)機(jī)制和管理制度的忽視，導(dǎo)致快遞行業(yè)特別是民營企業(yè)中的人員流動率過大，人才的匱乏成了制約民營快遞企業(yè)服務(wù)質(zhì)量和長足發(fā)展的瓶頸。2.3民營快遞企業(yè)的機(jī)遇（Opportunity）2.3.1電子商務(wù)的蓬勃發(fā)展使得快遞需求增長網(wǎng)購的盛行使得快遞這一行業(yè)非常有市場潛力，而隨著我國網(wǎng)購環(huán)境的不發(fā)展和完善，勢必會帶動快遞行業(yè)的繁榮，民營快遞企業(yè)也將從中受益。2.3.2國民經(jīng)濟(jì)保持平穩(wěn)較快增長國民經(jīng)濟(jì)保持好的增長趨勢勢必會拉動物品、資金等的流通，對所有行業(yè)有所裨益。繁榮的宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境為快遞企業(yè)的發(fā)展提供了必要的保障，而經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定和市場的繁榮也為民營快遞企業(yè)提供了更多的機(jī)遇。2.3.3基礎(chǔ)設(shè)施的完善使得交通運(yùn)輸能力加強(qiáng)據(jù)中國政府網(wǎng)消息，5月25日，商務(wù)部等10部門聯(lián)合印發(fā)《全國流通節(jié)點(diǎn)城市布局規(guī)劃（2015~2020年）》，目的是加快構(gòu)建全國骨干流通網(wǎng)絡(luò)，努力提升流通節(jié)點(diǎn)城市功能，更好發(fā)揮流通產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性作用，進(jìn)一步釋放消費(fèi)潛力。物流業(yè)很大程度上依賴于交通運(yùn)輸設(shè)施，隨著我國加大對基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投入，勢必會降低快遞業(yè)的運(yùn)輸成本，提高服務(wù)質(zhì)量。2.4民營快遞企業(yè)的威脅（Threat）2.4.1外資快遞企業(yè)外資快遞企業(yè)如UPS、FedEx等巨頭憑借著強(qiáng)大的資金實(shí)力、高科技的技術(shù)設(shè)備、高水平的人才隊(duì)伍，在國際快遞業(yè)務(wù)中占據(jù)了很強(qiáng)的優(yōu)勢，擠占了民營快遞企業(yè)的發(fā)展空間。而隨著外資企業(yè)本土化的深入，勢必會在同城速遞方面與民營企業(yè)搶灘。2.4.2國有快遞企業(yè)作為國有企業(yè)，中國郵政EMS有著得天獨(dú)厚的條件。強(qiáng)大的資金、網(wǎng)絡(luò)、技術(shù)支持使其長期在異地速遞市場上占據(jù)壟斷地位。同時(shí)國家在快遞業(yè)務(wù)方面也給予郵政相關(guān)的政策支持，這也直接威脅到民營快遞企業(yè)的發(fā)展。2.4.3網(wǎng)商的制約不可否認(rèn)，快遞業(yè)是作為網(wǎng)購中產(chǎn)品流通鏈節(jié)的尾端，這使得快遞服務(wù)業(yè)很大程度上要受到各大網(wǎng)商的制約，網(wǎng)商可以在加以比較各個(gè)快遞企業(yè)的基礎(chǔ)上選擇配送方，削弱了民營快遞企業(yè)的議價(jià)能力。以“XX”快遞公司及“嘿客”模式淺析3.1XX企業(yè)的SWOT分析內(nèi)部優(yōu)勢S內(nèi)部劣勢W1.價(jià)格低廉1.服務(wù)范圍未覆蓋到偏遠(yuǎn)地區(qū)2.服務(wù)靈活、速度快2.人員素質(zhì)有待提高3.較高的知名度3.網(wǎng)絡(luò)信息化程度相對低外部機(jī)遇O外部威脅T1.電子商務(wù)的繁榮1.國有、外資企業(yè)擠占2.交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施日益完善2．民營企業(yè)競爭日益激烈3.“嘿客”新模式的開創(chuàng)以上針對XX企業(yè)的SWOT分析表格是根據(jù)有關(guān)的參考文獻(xiàn)及市場調(diào)研報(bào)告總結(jié)所得，可以看到與2中針對整個(gè)民營企業(yè)的SWOT分析大同小異。但值得注意的是，XX作為民營企業(yè)搶占快遞市場較早，且經(jīng)過創(chuàng)新和發(fā)展，已具有較大的規(guī)模和知名度，同時(shí)，XX最近推出的“嘿客”無疑是打開了一片藍(lán)海。3.2XX“嘿客”的得與失嘿客是XX旗下網(wǎng)購服務(wù)社區(qū)店，通過整合渠道資源，為顧客提供更靈活、更便捷、更智能化的線下社區(qū)服務(wù)體驗(yàn)。主要提供的功能有：商品預(yù)購、網(wǎng)購線下體驗(yàn)、試穿試用服務(wù)、金融服務(wù)、便民服務(wù)（干洗、繳費(fèi)充值、機(jī)票預(yù)定等）以及快件自寄自取等服務(wù)。作為一個(gè)只經(jīng)歷了一年探索期的模式，講求020模式（OnlineToOffline）的XX“嘿客”實(shí)體店并不被大眾看好。以下為XX“嘿客”實(shí)體店的SWOT分析內(nèi)部優(yōu)勢S內(nèi)部劣勢W1.成熟的物流網(wǎng)絡(luò)1.展示和體驗(yàn)服務(wù)有限2.擴(kuò)展不熟悉網(wǎng)購的顧客群2.設(shè)施建設(shè)投入成本過大3.體驗(yàn)服務(wù)有吸引力3.產(chǎn)品相對電商種類、價(jià)格沒有優(yōu)勢4.零庫存外部機(jī)遇O外部威脅T1.整合了企業(yè)資源1.傳統(tǒng)社區(qū)便利店服務(wù)更為齊全2.全新模式搶占市場先機(jī)2．還處在探索階段3.電商巨頭亦在開設(shè)020模式由上文可以看出，020模式的嘿客實(shí)體店現(xiàn)在仍然面臨著較大的挑戰(zhàn)，作為快遞配送方的XX顯然在缺少電商以及傳統(tǒng)社區(qū)服務(wù)店的優(yōu)勢，盡管“嘿客”打著線下服務(wù)的幌子想賺取廣告的盈利，但線下實(shí)體店輻射范圍有限；而投入成本又實(shí)打?qū)嶋y以削減；客戶網(wǎng)絡(luò)還不成熟等缺點(diǎn)勢必會限制其進(jìn)一步發(fā)展?！昂倏汀睂?shí)體店應(yīng)在某些便民服務(wù)做到更加地方便快捷，例如金融服務(wù)方面；同時(shí)在商品的展示上要有明智選擇，例如取消即買即銷品的展示，以時(shí)尚衣鞋等新品的罕有的試用體驗(yàn)來博得大眾眼球；同時(shí)趁著大眾新鮮期未過，嘿客應(yīng)該有更為專業(yè)的服務(wù)人員和更為成熟的門店服務(wù)，不應(yīng)該只是因?yàn)樵嚱?jīng)營而草草過場。4.民營快遞企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略分析4.3.1提高服務(wù)質(zhì)量，擴(kuò)大服務(wù)范圍并擴(kuò)大知名度民營企業(yè)普遍打價(jià)格戰(zhàn)來提高市場份額，在選擇迅速擴(kuò)張的同時(shí)往往忘記審視自身提供的服務(wù)，且普遍缺少客戶的反饋渠道和平臺。企業(yè)要想獲得長足的發(fā)展，應(yīng)該注重客戶反饋，降低錯(cuò)誤率例如錯(cuò)件、漏件等，提高配送的速度，以質(zhì)優(yōu)獲得更多的客流，從而進(jìn)一步發(fā)揮品牌效應(yīng)。同時(shí)民營快遞企業(yè)應(yīng)該在交通設(shè)施條件可能的地方提供快遞服務(wù)，不應(yīng)該僅僅咬緊同城快遞這部分業(yè)務(wù)，擴(kuò)大服務(wù)覆蓋范圍有利于企業(yè)在競爭中保持自己的優(yōu)勢。4.3.2加強(qiáng)人才培訓(xùn)，提升員工素質(zhì)人力資源在現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展愈發(fā)重要，而針對快遞業(yè)人員流動率大等劣勢，民營企業(yè)應(yīng)該注重建設(shè)健全內(nèi)部的培訓(xùn)機(jī)制，為快遞員工提供專業(yè)化的例如物流管理、計(jì)算機(jī)知識等知識技能培訓(xùn)。一支優(yōu)秀的員工隊(duì)伍能夠給公司的發(fā)展前景提供一定的保障。4.3.3提高網(wǎng)絡(luò)信息化能力相對于外資快遞企業(yè)，民營企業(yè)對高科技信息技術(shù)較為忽視，認(rèn)為快遞更多依賴的是流動的勞動力。在信息技術(shù)日益重要的今天，云數(shù)據(jù)庫可以提供客戶需求的相關(guān)信息；網(wǎng)絡(luò)平臺可以開拓客戶反饋渠道······現(xiàn)在很多快件在遞送路徑中的到達(dá)節(jié)點(diǎn)都可以在網(wǎng)絡(luò)上查到，這也說明網(wǎng)絡(luò)信息化能力的運(yùn)用可以進(jìn)一步提升企業(yè)提供的服務(wù)質(zhì)量。4.3.4謹(jǐn)慎使用低價(jià)戰(zhàn)略，轉(zhuǎn)向差異化經(jīng)營快遞行業(yè)準(zhǔn)入門檻低導(dǎo)致了百花齊放的現(xiàn)象，一味地打價(jià)格戰(zhàn)會使商家失去可觀的利潤，并且對整個(gè)民營企業(yè)來說低價(jià)策略都不可能長期有效。反觀現(xiàn)在一些快遞企業(yè)開始了例如高校生畢業(yè)季行李打包等個(gè)性化服務(wù)，無疑在競爭激烈的紅海外開辟了一片藍(lán)海。民營快遞企業(yè)也應(yīng)該在整合內(nèi)部資源的基礎(chǔ)上，把目光更多地放在能使企業(yè)增值的其他業(yè)務(wù)，選擇差異化戰(zhàn)略往往會使企業(yè)有出其不意的收獲。參考文獻(xiàn)[1]中華人民共和國國家郵政局.2012年郵政行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公[EB/OL].2013-05-22.[2]胡繼承.基于SWOT民營快遞企業(yè)發(fā)展問題研究[J].經(jīng)營管者.2014-03.[3]周凌云.穆東.基于SWOT民營快遞企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].物流技術(shù).2008.[4]王玉杰.提升XX公司競爭力的有效途徑探索[J].商業(yè)研究.2014-03.[5]賀金霞.鄭州申通速遞服務(wù)有限公司競爭力研究[0].西北大學(xué).2008.[6]唐添要.民營快遞服務(wù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)與提升研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè).2009-09..[7]彭甜甜.XXO2O模式閉環(huán)成型518家“嘿客”便利店迎大考.[N].第一財(cái)經(jīng)報(bào).2014-05-19.[8]徐亮.XX“嘿客”經(jīng)營現(xiàn)狀及改進(jìn)措施.[J].上海大學(xué).2014-11.[9]馬麗娟.民營快遞企業(yè)融資問題.[N].2010基于加速度傳感器的運(yùn)動信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要運(yùn)動與人體健康息息相關(guān)，一直以來受到人們的廣泛關(guān)注，隨著運(yùn)動生物力學(xué)、人體測量學(xué)的發(fā)展，人們對運(yùn)動的研究日益深入。本文以運(yùn)動生物力學(xué)理論為基礎(chǔ)，對運(yùn)動參數(shù)的測量和分析方法進(jìn)行了研究，主要目的在于探索運(yùn)動生物力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，通過運(yùn)動生物力學(xué)參數(shù)的測量、分析揭示人體運(yùn)動的規(guī)律，在人體姿態(tài)識別、體育訓(xùn)練等方面提供理論指導(dǎo)。在對人體結(jié)構(gòu)及運(yùn)動的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹和總結(jié)的基礎(chǔ)上，為了便于運(yùn)動研究，建立了人體運(yùn)動的棒狀模型及便于分析計(jì)算的人體坐標(biāo)系。通過對常用人體運(yùn)動參數(shù)測量方法的分析，提出了利用加速度參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動測量和分析的方法。應(yīng)用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)了對肢體運(yùn)動的測量，并利用加速度參數(shù)與速度、位移等參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系實(shí)現(xiàn)了對其它運(yùn)動參數(shù)的求解，從而對運(yùn)動姿態(tài)、動作軌跡等進(jìn)行分析。自行設(shè)計(jì)了運(yùn)動采集系統(tǒng)，系統(tǒng)分為信號采集單元與數(shù)據(jù)處理單元兩個(gè)部分，以單片機(jī)、三軸加速度計(jì)ADXL330為核心，可實(shí)現(xiàn)多傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息采集及數(shù)據(jù)分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了利用運(yùn)動信息采集系統(tǒng)對人體運(yùn)動信息進(jìn)行采集和分析的方法是可行的。利用加速度參數(shù)對人體簡單運(yùn)動進(jìn)行分析的方法方便可行，但在復(fù)雜運(yùn)動的分析中，則需要更多的信息進(jìn)行綜合分析。因此，對于人體運(yùn)動的研究，應(yīng)綜合多種方法，盡可能獲取更多的信息，以使得人體運(yùn)動分析更加科學(xué)、合理。關(guān)鍵詞：運(yùn)動生物力學(xué)，運(yùn)動信息采集，加速度傳感器，運(yùn)動測量DesignofMotionInformationCollectionSystemBasedonAccelerationSensorABSTRACTHumanhasalwayspaidbroadattentiontobodymotionrelatingclosetohumanhealth.Withthedevelopmentofmotionbiomechanicsandanthropometry,peoplehaveincreasinglydeeplystudiedhumanbodymotion.Thepaperfocusesonthemeasurementofbodymotionparametersandanalysismethodofbodymotionbasedonthetheoryofmotionbiomechanics.Thecontentsinvolvethestudyontherelationshipbetweenparametersofmotionbiomechanics,theanalysisofthelawofbodymotionbymeasuringmotionbiomechanicsparameterstoprovidetheoreticalguidanceforrecognitionofhumangesture,physicaltraining,andsoon.Humanstructureandcharacteristicsofbodymotionareanalyzedandsummarized,onthebasisofwhichrodmodelandcoordinatesystemofhumanbodyarebuilttoprovideconvenienceforthestudyofbodymotion.Themethodofmeasuringbodymotionwithaccelerationsensorispresentedwiththeanalysisofcommonmeasurementmethodofbodymotionparameters.Themeasurementofextremityisperformedbyaccelerationsensor;othermotionparametersaresolvedbythemathematicalrelationshipbetweenaccelerationparameterandvelocity,displacement,etc..Thereby,motiongestureandactiontraceofhumanbodycanbeanalyzed.Asystemwhichconsistsofsignalcollectionunitanddataprocessingunitisdevelopedtocompletecollectionanddataanalysisfromthemotioninformationatmost5sensornetworknodesusingmsp430andADXL330.Theresultsshowthatcollectingandanalyzingmotioninformationofhumanbodybythesystemisafeasiblemethod.Theanalysisofsimplebodymotionusingaccelerationparameterisaconvenientandfeasiblemethod.Butmoreinformationisrequiredtobeanalyzedsyntheticallyinthecomplexmotion.Therefore,itisnecessaryforthestudyofbodymotiontosynthesizeavarietyofmethodsandobtainasmuchinformationaspossible,whichmakestheanalysisofbodymotionmorescientificandrational.KeyWords：Motionbiomechanics,Collectionofmotioninformation,Accelerationsensor,MotionMeasuremen目錄1緒論 11.1課題研究的背景 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3研究意義 22運(yùn)動信息采集與分析 42.1運(yùn)動生物力學(xué)的基本運(yùn)動參數(shù) 62.2運(yùn)動信息采集的方法 72.2.1光學(xué)測量方法 72.2.2非電量電測法 82.2.3肌電信號測量法 82.3基于加速度傳感器的運(yùn)動信息采集與分析 83運(yùn)動信息采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 123.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 123.2信號采集單元電路設(shè)計(jì) 123.3信號處理單元設(shè)計(jì) 163.3.1主控制器的選型 173.3.2外圍電路設(shè)計(jì) 173.3.3輸入輸出電路 183.3.4現(xiàn)場總線通信電路設(shè)計(jì) 183.3.5現(xiàn)場總線供電電路設(shè)計(jì) 193.3.6現(xiàn)場總線供電分析 194系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 234.1信號處理單元程序設(shè)計(jì) 234.2數(shù)據(jù)處理單元程序設(shè)計(jì) 245總結(jié)與展望 285.1總結(jié) 285.2展望 28參考文獻(xiàn) 30附錄A總體電路原理圖 32附錄B頂層PCB 33附錄C底層PCB 34致謝 35PAGE6/351緒論1.1課題研究的背景物質(zhì)的運(yùn)動是絕對的。宇宙空間的任何物質(zhì)、物體無時(shí)無刻不在運(yùn)動中，大到星系、宇宙天體的宏觀相對或絕對運(yùn)動，小到微觀世界的分子熱運(yùn)動、電子運(yùn)動等。人類在認(rèn)識自然、改造物質(zhì)世界以及認(rèn)識自身的過程中，對運(yùn)動的研究不斷深入，研究領(lǐng)域也不斷拓寬。而運(yùn)動與人類密切相關(guān)。運(yùn)動與我們是密切相關(guān)的，現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)也明確的告訴我們，物質(zhì)的運(yùn)動時(shí)絕對的，大到宏觀世界宇宙間的天體、星系，小到微觀世界的分子、離子、電子等，都是無時(shí)無刻不在運(yùn)動，我們在社會的不斷發(fā)展進(jìn)步中，對運(yùn)動的認(rèn)識也在逐步深入，研究的范圍也在不斷拓展。隨著時(shí)代的發(fā)展，當(dāng)代的人們對健康的更加關(guān)注及需求，也推動著與其息息相關(guān)的人體運(yùn)動研究的發(fā)展。從而使得運(yùn)動測量學(xué)、運(yùn)動生物力學(xué)等學(xué)科的研究也取得了巨大的進(jìn)步[1]。而且各種體育賽事已經(jīng)深入到每一個(gè)角落，體育競技的強(qiáng)度也在不斷提升，整個(gè)社會都在努力地尋求突破，需要掌握更多的人體運(yùn)動信息，這也進(jìn)一步促進(jìn)了整個(gè)人類社會在這個(gè)領(lǐng)域的巨大投入。對于運(yùn)動研究需要多種學(xué)科的交叉，其應(yīng)用范圍也就相應(yīng)的十分廣泛[2]。運(yùn)動力學(xué)根據(jù)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)等方面的知識，利用測量技術(shù)進(jìn)行信息的采集，對運(yùn)動器官系統(tǒng)力學(xué)及運(yùn)動體在空間進(jìn)行局部或整體運(yùn)動時(shí)，在各種力的作用下，運(yùn)動體在時(shí)間和空間中的位置、姿勢、運(yùn)動速度等的變化規(guī)律進(jìn)行研究。要進(jìn)行運(yùn)動的研究，最重要的一步自然是對運(yùn)動體運(yùn)動信息的檢測，而人體運(yùn)動檢測技術(shù)是由多學(xué)科相互交融所產(chǎn)生的一項(xiàng)應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)[3][4]，其基本原理涉及醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科，并與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)動畫技術(shù)、模式識別技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)及傳感器技術(shù)等密切相關(guān)。因此，對運(yùn)動體運(yùn)動信息的研究也就成了現(xiàn)代科學(xué)研究的一項(xiàng)重要的學(xué)科，以人體的運(yùn)動為研究對象，精確地獲取人體在運(yùn)動過程中位移、速度、加速度、力以及肌電信號等，并進(jìn)行處理以及分析[5]，是現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要推動力，也備受青睞及關(guān)注。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以測量及同步測量技術(shù)為標(biāo)志的現(xiàn)代運(yùn)動生物力學(xué)測量技術(shù)，己經(jīng)使得運(yùn)動體的運(yùn)動測量可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化、可視化以及三維空間范圍內(nèi)的測量分析[6]。雖然現(xiàn)代測量技術(shù)為運(yùn)動生物力學(xué)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的催化劑，但是我們應(yīng)該認(rèn)識到研究生物運(yùn)動的力學(xué)問題，根本上取決于測量研究技術(shù)以及分析技術(shù)。學(xué)術(shù)界的研究者己經(jīng)意識到現(xiàn)代測量技術(shù)應(yīng)用于人體運(yùn)動分析的局限性源于對人體運(yùn)動力學(xué)的本質(zhì)認(rèn)識還不夠深入。運(yùn)動生物力學(xué)的測量技術(shù)還依賴于其他學(xué)科，如計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子測量技術(shù)、等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[7]。國內(nèi)有很多單位在此方面進(jìn)行了深入的研究，如西安市第四軍醫(yī)大學(xué)，生物醫(yī)學(xué)工程系的焦純、楊國勝等人利用三維加速度傳感器設(shè)計(jì)并研制了一種訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測儀用于評估士兵訓(xùn)練狀況和訓(xùn)練效率[8]。在考慮人體運(yùn)動加速度幅值、頻率的有效范圍下，為實(shí)現(xiàn)對靜、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)激勵(lì)都有較好的響應(yīng)，其選用了具有頻帶寬、靈敏度高、內(nèi)置防震裝置、性價(jià)比較高的壓阻式加速度傳感器，即ICSENSOR公司生產(chǎn)的3個(gè)3031型單軸加速度傳感器[9]，并通過正交組合成三維加速度傳感器，及相應(yīng)的電路信號處理、運(yùn)動數(shù)據(jù)記錄與分析處理等實(shí)現(xiàn)對訓(xùn)練現(xiàn)場的運(yùn)動等進(jìn)行記錄與評估。當(dāng)代高科技理論與技術(shù)對運(yùn)動訓(xùn)練領(lǐng)域全面、深入的滲透和介入已成為當(dāng)今競平的體育訓(xùn)練和大賽中，運(yùn)動員的整套動作都將被詳細(xì)記錄，用于賽后技體育發(fā)展的主要趨勢[10]。目前在體育訓(xùn)練中，有著相對成熟的訓(xùn)練規(guī)律和方法，但是人體的個(gè)體差異性較大，如何能夠科學(xué)地運(yùn)用這些規(guī)律就要求對運(yùn)動員的訓(xùn)練要因人而異，這就要求對人體運(yùn)動的相關(guān)信息進(jìn)行盡可能詳細(xì)的采集和分析。國外研究現(xiàn)狀,運(yùn)動體運(yùn)動研究從力學(xué)原理性分析階段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)測量階段的早期學(xué)者是法國生理學(xué)家韋伯兄弟。他們在1836年用時(shí)鐘計(jì)時(shí)的方法[11]測量了人在走路過程中的時(shí)間空間特征，并得出了步速和身體支撐時(shí)間成反比關(guān)系的結(jié)論。他們的法國同行繆勒(G.Muller)用同樣的方法測量了人體走和跑時(shí)下肢支撐期和擺動期的時(shí)間和比例關(guān)系，此時(shí)的人體運(yùn)動測量手段應(yīng)該說很簡陋。后來攝影影像技術(shù)的引入，使運(yùn)動測量手段有了很大的飛躍。1877年，美國攝影師麥布里奇(E.Muybridge)用24臺照相機(jī)拍攝了馬奔跑的連續(xù)照片[12]，后來他又拍攝了人體走、跑等動作的連續(xù)照片，并在1901年發(fā)表了專著《運(yùn)動中的人體運(yùn)動圖像》，從而奠定了影像測量方法的基礎(chǔ)。幾年后，馬勒(Maler)、德美尼(Demeni)等提出了運(yùn)動軌跡定位照相法和連續(xù)光點(diǎn)照相法，這些方法直到現(xiàn)在仍被用來研究人體運(yùn)動[13]。20世紀(jì)30年代英國生理學(xué)家希爾(A.V.Hill)開展了關(guān)于肌力的研究[14]，取青蛙的縫匠肌為試樣，通過測量肌肉在縮短過程中的肌張力、肌肉縮短速度、肌肉產(chǎn)生的熱量及肌肉維持痙攣狀態(tài)所需的熱量，并按照熱力學(xué)第一定律建立了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的希爾方程[15]。從此，人體運(yùn)動生物力學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域：肌力與肌肉的生理特性的相關(guān)研究逐漸發(fā)展起來。20世紀(jì)后半葉以來，計(jì)算機(jī)及電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及傳感技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)等智能分析技術(shù)的應(yīng)用帶來更為準(zhǔn)確便捷的現(xiàn)代測量技術(shù)[16]。繼阿馬爾(Amaer)研制了第一臺兩分量測力臺，使運(yùn)動生物力學(xué)進(jìn)入在體動力學(xué)測量后，萊曼德(Reymond)在伽伐尼(Galvani)《論在肌肉運(yùn)動中的電力》的基礎(chǔ)上[17]，創(chuàng)立了肌電測量技術(shù)。阿馬爾和埃弗特曼(Elftman)基于人體運(yùn)動效率，創(chuàng)立了力能學(xué)測量技術(shù)，后人從此技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展了肌力優(yōu)化技術(shù)和能量優(yōu)化技術(shù)。高速攝影技術(shù)、傳感測量技術(shù)以及同步測量技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動生物力學(xué)的測量后，使得人體運(yùn)動生物力學(xué)測量的研究進(jìn)入了三維運(yùn)動學(xué)和空間力學(xué)研究的層面上，為全面研究人體運(yùn)動效能提供了良好的保證[18]。與此同時(shí)，多剛體動力學(xué)和計(jì)算力學(xué)的在解決人體運(yùn)動學(xué)問題的同時(shí)，獲得了實(shí)驗(yàn)技術(shù)的支持。國外將加速度傳感器應(yīng)用于體育訓(xùn)練的研究比較領(lǐng)先。較早有CarlijnV.C.Bouten等人[19]，采用壓阻式三軸加速度傳感器測量人體運(yùn)動加速度與能量消耗的關(guān)系。實(shí)現(xiàn)對人體在坐、行走等日?；顒又羞\(yùn)動加速度的測量[20]，進(jìn)而由實(shí)驗(yàn)獲得加速度值與人體運(yùn)動能量消耗的關(guān)系。從其測量結(jié)果分析來說，加速度值能反映被測人體一定的運(yùn)動強(qiáng)度。利用加速度傳感器輸出值與人體站、坐、走、跑、跳、騎等日常生活運(yùn)動能量消耗之間的關(guān)系，結(jié)合相關(guān)皮膚溫度、心率等測量傳感器，經(jīng)相關(guān)算法軟件分析及實(shí)驗(yàn)標(biāo)定等。這種設(shè)備能用于對運(yùn)動員訓(xùn)練強(qiáng)度實(shí)時(shí)檢測、分析，從而為運(yùn)動員體能訓(xùn)練提供可行、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的測量，用以指導(dǎo)體能訓(xùn)練。在人體生理力學(xué)研究方面，運(yùn)動的計(jì)算機(jī)仿真是更高層次的研究內(nèi)容，是研究人體運(yùn)動規(guī)律的有效手段，并具有很高的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，如用于碰撞的仿真、分析人的運(yùn)動特征、醫(yī)療中腦神經(jīng)外科診斷以及步態(tài)研究等[21]。當(dāng)然研究人體運(yùn)動的手段和方法很多，其中實(shí)驗(yàn)方法是一個(gè)非常有前景的研究方法，充分利用實(shí)驗(yàn)所獲得的測試數(shù)據(jù)，可以簡化建模的復(fù)雜性，縮短研究周期，模擬運(yùn)動體運(yùn)動的實(shí)例。通常采用運(yùn)動生物力學(xué)測試手段，可以得到相關(guān)運(yùn)動體運(yùn)動的數(shù)據(jù)，當(dāng)然還要借助于影像儀、多維測力臺、肌電儀等設(shè)備。但要獲取全面的人體運(yùn)動測試數(shù)據(jù)，必須綜合利用這些設(shè)備，因此人體運(yùn)動信息的采集、應(yīng)用、研究的發(fā)展很大程度上要依賴于人體運(yùn)動測試和感知技術(shù)。1.3研究意義在研究人體運(yùn)動時(shí)，我們實(shí)際上把人體當(dāng)做一個(gè)物質(zhì)的合成體，通過人體的外部運(yùn)動表現(xiàn)出來信息，去分析人體的內(nèi)部運(yùn)動，諸如腦部的運(yùn)動：思維、決策等形成完成外部動作的指令的過程等。而且我們必須由外到內(nèi)的去分析研究，分析兩者之間的聯(lián)系及紐帶，這樣才能更好地認(rèn)識人體自身，獲得足夠的科學(xué)依據(jù)，來為人類社會的發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。總所周知，人體的構(gòu)造十分的復(fù)雜，故而對人體運(yùn)動學(xué)的研究也就要涉及的很多的學(xué)科，要找到這些學(xué)科如運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、人體解剖學(xué)等諸多學(xué)科的交叉，采集人體運(yùn)動信息，以及在各種力的作用下，人體內(nèi)部器官系統(tǒng)力學(xué)與人體進(jìn)行局部或者整體運(yùn)動時(shí)，人體在時(shí)間和空間的位置，姿勢、運(yùn)動狀態(tài)等的變化規(guī)律，繼而進(jìn)行分析研究。在對人體運(yùn)動信息的研究過程中，最關(guān)鍵的一環(huán)就是對人體運(yùn)動信息的檢測和采集，而人體運(yùn)動檢測技術(shù)囊括了醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科，又與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)動畫技術(shù)、模式識別技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、及傳感器技術(shù)息息相關(guān)[22]。相應(yīng)的，人體運(yùn)動學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域也是十分的廣闊，主要包括在以下幾個(gè)領(lǐng)域[23]：醫(yī)學(xué)保健領(lǐng)域，主要應(yīng)用于對人體運(yùn)動功能及損傷做出更直接有效地評估，分析受損原因，以利于更好地救治及預(yù)防；體育領(lǐng)域，可以通過對運(yùn)動員運(yùn)動時(shí)所蘊(yùn)藏的生物力學(xué)信息探測分析來塑造運(yùn)動技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模式，找到運(yùn)動技術(shù)最佳的途徑，從而改善訓(xùn)練的方式，使運(yùn)動員能夠在運(yùn)動技術(shù)上有所突破，更有力地參與到競技比賽中，獲得更加優(yōu)異的成績；教育交流領(lǐng)域，可以通過對肢體語言所傳達(dá)的信息去分析人體的內(nèi)部活動，甚至可以解決與聾啞人的交流問題；虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于人與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交互，將真實(shí)生活中的人體運(yùn)動映射到虛擬環(huán)境。因此，對人體運(yùn)動信息的采集無論是在理論研究還是實(shí)際應(yīng)用中都有著非常廣泛的應(yīng)用和非常重大的意義。2運(yùn)動信息采集與分析2.1運(yùn)動生物力學(xué)的基本運(yùn)動參數(shù)運(yùn)動生物力學(xué)的發(fā)展，對人體運(yùn)動測量學(xué)起到了巨大的推動作用，運(yùn)動生物力學(xué)研究的內(nèi)容是人體運(yùn)動中的機(jī)械運(yùn)動規(guī)律。人體運(yùn)動的含義可以理解為人體整體、肢體位置的移動（位移），包括競技體育運(yùn)動、大眾體育運(yùn)動、日常活動和生產(chǎn)勞動等。運(yùn)動生物力學(xué)應(yīng)用生物學(xué)和力學(xué)的理論、方法，研究人體從事各種運(yùn)動、活動和勞動的動作技術(shù),使復(fù)雜的人體動作技術(shù)奠基于最基本的生物學(xué)和力學(xué)規(guī)律之上，并以數(shù)學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)以及動作技術(shù)原理的形式加以定量描述[8]。人體運(yùn)動、活動和勞動中的各種動作技術(shù)，可以通過運(yùn)動生物力學(xué)方法進(jìn)行測試研究，從而提高運(yùn)動技術(shù)水平[9]。運(yùn)動生物力學(xué)通過研究人體在運(yùn)動中表現(xiàn)出的力、速度、加速度等參數(shù)與人體結(jié)構(gòu)特性的關(guān)系，來揭示人體運(yùn)動的基本規(guī)律，獲得有價(jià)值的運(yùn)動參數(shù)，從而進(jìn)一步了解復(fù)雜的人體運(yùn)動，為更深入地研究人體運(yùn)動的相關(guān)技術(shù)提供重要依據(jù)。為了更準(zhǔn)確地對人體運(yùn)動進(jìn)行研究分析，首先要對運(yùn)動生物力學(xué)常用的基本運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行了解。運(yùn)動生物力學(xué)常用的參數(shù)主要有：位置、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、力、功、功率、動量、沖量、動量、力矩、動量矩、沖量矩、動能、位能、質(zhì)量、重量、重心、人體環(huán)節(jié)質(zhì)量、重量、重心、軀干傾角、著地角、離地角、前蹬角、后蹬角、騰起角、出手角、姿勢角、攻角、穩(wěn)定角等。對于人體運(yùn)動的分析和描述都離不開以上運(yùn)動生物力學(xué)參數(shù)，其中部分參數(shù)可通過儀器直接測量得到，另一些參數(shù)則需要根據(jù)其它參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算得到[9]。運(yùn)動信息采集與分析是指運(yùn)用某種手段跟蹤、捕捉人體的運(yùn)動，獲得人體運(yùn)動的部分參數(shù)，并對這些參數(shù)進(jìn)行分析和處理，從而得以重建人體的結(jié)構(gòu)和姿態(tài)或進(jìn)行其它的應(yīng)用。人體在運(yùn)動過程中所表現(xiàn)出來的運(yùn)動信息主要體現(xiàn)在身體位置、關(guān)節(jié)角度、身體和肢體的位移、速度和加速度、力的大小和方向、動態(tài)力的變化速率等方面。對這些信息進(jìn)行測量并利用生物運(yùn)動學(xué)技術(shù)進(jìn)行分析，可以對人體在運(yùn)動中的狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。人體運(yùn)動分析的過程主要由運(yùn)動的跟蹤測量、信號處理、數(shù)據(jù)分析所組成。2.2運(yùn)動信息采集的方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的高新技術(shù)被應(yīng)用到人體運(yùn)動信息采集的研究中，目前運(yùn)動信息采集的主要方法有：光學(xué)測量方法、非電量電測法、生物電信號測量法。2.2.1光學(xué)測量方法為了對采集到的圖像信息進(jìn)行分析，需要對其進(jìn)行數(shù)字化處理，對于高速攝影所得到的運(yùn)動信息一般通過影片解析儀，完成影片的數(shù)字化過程，圖2.1所示為影片數(shù)字化原理的示意圖。如圖3.1中所示，分析放影機(jī)將攝影機(jī)所拍攝到的圖像放大后投影到數(shù)字化板上，然后用游標(biāo)鍵盤取出需要的坐標(biāo)值（x,y）輸入到計(jì)算機(jī)中存儲或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖2.1影片數(shù)字化原理通過上述的原理介紹可知，一臺攝影機(jī)只能對物體或人體運(yùn)動進(jìn)行平面分析，而且當(dāng)遇到遮擋或進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動作時(shí)，只能對測量點(diǎn)進(jìn)行估算。若要準(zhǔn)確地反映事物的運(yùn)動特征，必須進(jìn)行三維立體分析。原則上要通過兩臺攝影機(jī)從不同角度同步進(jìn)行拍攝，這樣就能把物體或人體運(yùn)動的空間特征描述出來。采用多臺攝影機(jī)同步工作在技術(shù)上存在一定難度，一般常用的方法有兩種：1、定點(diǎn)三維正交法；2、定點(diǎn)三維直接線性變換法。完成拍攝后的數(shù)字化過程也更為復(fù)雜，在數(shù)據(jù)處理過程中需要對兩臺攝影機(jī)的的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交合成，一般通過專用的影像解析軟件[12]系統(tǒng)來完成。以上介紹的高速攝影和攝像方法，可以對人體不施加任何約束，是正式比賽時(shí)可行的方法，但是為了從畫面中獲取關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置信息，就需要在數(shù)字化儀上對著進(jìn)行逐幀分析，光電技術(shù)開始被應(yīng)用于運(yùn)動檢測中。目前得到廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品主要有SELSPOT系統(tǒng)、VICON系統(tǒng)和COD系統(tǒng)。2.2.2非電量電測法非電量電測法是把傳感器或傳感元件固定在被測物上，然后把被測物的力學(xué)參數(shù)由傳感器轉(zhuǎn)換為模擬電量，通過放大器將微弱的模擬電量放大并調(diào)理后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理。其原理框圖如圖2.2所示。傳感器或傳感原件力學(xué)參量傳感器或傳感原件力學(xué)參量放大器A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)輸出設(shè)備圖2.2非電量電測法原理框圖在人體運(yùn)動測量中，用于將力學(xué)參量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器或傳感裝置主要有：測角儀、位移傳感器、力傳感器、慣性傳感器等。2.2.3肌電信號測量法肌電測量包括有損傷測量和無損傷測量兩大類。運(yùn)動實(shí)踐中的肌電測量大多采用無損傷類的表面肌電遙測技術(shù)，描記出肌肉活動中的電信號變化過程，稱之為肌電圖。利用肌電圖可以說明：(1)某塊肌肉或一塊肌肉的哪些部分參與活動；(2)運(yùn)動中所測各塊肌肉參與活動的時(shí)間；(3)運(yùn)動中所測各塊肌肉收縮時(shí)間的長短和收縮強(qiáng)度。肌電圖在體育運(yùn)動中應(yīng)用比較廣泛，用肌電圖研究肌肉的不同狀態(tài)、肌肉之間的協(xié)調(diào)程度、收縮類型及強(qiáng)度、判斷肌肉疲勞程度及損傷、評定肌肉素質(zhì)等等都有比較成功的例子。當(dāng)人體進(jìn)行運(yùn)動時(shí)，相應(yīng)的肌肉會收縮、變形，肌肉收縮所產(chǎn)生的微弱肌電信號被電極檢測到，測量裝置的信號處理放大環(huán)節(jié)會對此信號進(jìn)行放大和濾波，去除干擾并得到有用的肌電信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，則得到數(shù)字量的數(shù)據(jù)，測量裝置的CPU對此數(shù)據(jù)再進(jìn)行相關(guān)的分析和處理，即可得出運(yùn)動過程中相關(guān)肌肉作用的結(jié)論。2.3基于加速度傳感器的運(yùn)動信息采集與分析人體的運(yùn)動最終以肢體在空間中姿態(tài)、位置的變化來體現(xiàn)，對于運(yùn)動過程的儲多信息如加速度、速度、位移、位姿、力等之間存在著一定的聯(lián)系，只要得到加速度信息，其它參數(shù)信息可通過對其積分得到，下面以人體前臂運(yùn)動的信息測量為例，說明加速度傳感器在人體運(yùn)動信息采集中的應(yīng)用方法。人體前臂在運(yùn)動過程中始終和豎直方向(或水平方向)成一定的角度關(guān)系。通過固定于前臂上的三軸加速度傳感器的各個(gè)軸與重力方向(豎直向下)之間的夾角就可以檢測出人體前臂的運(yùn)動姿態(tài)。在進(jìn)行前臂運(yùn)動檢測時(shí)，首先將傳感器固定于前臂上，隨著前臂的運(yùn)動狀態(tài)改變，傳感器輸出的變化信號經(jīng)處理后可以得到前臂的運(yùn)動姿態(tài)改變的參數(shù)。以簡單平面運(yùn)動為例，待測者肘關(guān)節(jié)置于桌面上不動，前臂繞肘關(guān)節(jié)做豎直平面的屈肘動作，加速度傳感器安裝于腕關(guān)節(jié)，注意在運(yùn)動過程中，應(yīng)保持其位置不變。在以上約束條件下，當(dāng)前臂不動時(shí)，只需檢測當(dāng)前加速度傳感器各敏感軸與重力方向的夾角，即可分析出前臂的姿態(tài)。圖2.3重力加速度對傳感器作用示意圖當(dāng)傳感器保持相對靜止時(shí)，會受到重力的作用，這樣加速度傳感器輸出與重力加速度方向相反、大小相等的加速度信號，此加速度信號在三個(gè)軸上的輸出分量取決于三個(gè)敏感軸與重力方向的夾角。圖3.3所示為傳感器相對靜止時(shí)的各敏感軸與重力方向的夾角分別為θ、φ、γ，如果重力加速度的大小為g，此時(shí)傳感器三個(gè)軸輸出的電壓信號分別為：式中：vx、vy、vz表示加速度計(jì)X、Y、Z三個(gè)軸所輸出的電壓信號，k表示加速度計(jì)的靈敏度，k表示加速度計(jì)的靈敏度，g表示重力加速度，V0表示加速度為0時(shí)，加速度計(jì)輸出的電壓。對上式求反函數(shù)可得到：從而可以求手臂的空間姿態(tài)。可將手臂視為一個(gè)剛體，將肘關(guān)節(jié)視為支點(diǎn)，手臂運(yùn)動則可看成是剛體圍繞支點(diǎn)的平面運(yùn)動。繼而可以通過一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算對瞬時(shí)的加速度、速度、力等參數(shù)進(jìn)行分析。圖2.4運(yùn)動體運(yùn)動模型假設(shè)重力加速度g在Y軸和Z軸上的分量分別為gy和z，測量點(diǎn)的線加速度為a，傳g感器Y軸和Z軸輸出電壓經(jīng)變換后得到的加速度值分別為ay和az，根據(jù)矢量關(guān)系，可得出：由于被測點(diǎn)實(shí)際加速度a與Y軸成90度夾角，所以對傳感器Y軸的輸出不會產(chǎn)生影響，傳感器Y軸的輸出依然滿足下式：所以，手臂運(yùn)動過程中瞬時(shí)姿態(tài)的求法，與靜態(tài)時(shí)相對，但運(yùn)動狀態(tài)中還需要對瞬時(shí)的加速度、速度、力等參數(shù)進(jìn)行分析。瞬時(shí)加速度：當(dāng)上式計(jì)算結(jié)果為正時(shí)，表示加速度方向與Z軸正方向相同，否則相反。瞬時(shí)速度：式中：v表示測量的初始速度。在工程計(jì)算中，一般要將時(shí)間微分成若干小的區(qū)間，在每一個(gè)小的時(shí)間區(qū)間認(rèn)為質(zhì)點(diǎn)的加速度是不變的，以方便計(jì)算。則上式可簡化成：瞬時(shí)力：式中：m表示質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，對于體不同質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，國內(nèi)外多名學(xué)者專家通種手段進(jìn)行了測量，可根據(jù)世界衛(wèi)生組織公布的信息查詢。3運(yùn)動信息采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)運(yùn)動信息采集系統(tǒng)利用人體運(yùn)動的非電量電測法，利用加速度傳感器采集人體運(yùn)動時(shí)的加速度參數(shù)，系統(tǒng)通過對采集到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，可得到肢體在空間運(yùn)動的相關(guān)信息[14]，如加速度、速度矢量的變化、肢體位移軌跡、空間姿態(tài)等信息。3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本課題以單片機(jī)為核心控制器并使用現(xiàn)場總線傳輸，并配合相關(guān)硬件電路完成設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方案圖如下：力學(xué)參量力學(xué)參量信號調(diào)理單片機(jī)處理現(xiàn)場總線傳輸上位機(jī)加速度傳感器信號采集電源圖3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖力學(xué)參量經(jīng)過加速度傳感器采集轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過信號調(diào)理后送往單片機(jī)，通過單片機(jī)處理后可以使用現(xiàn)場總線傳輸給上位機(jī)完成數(shù)據(jù)通信。3.2信號采集單元電路設(shè)計(jì)信號采集單元的作用是實(shí)時(shí)同步采集被測點(diǎn)的三維加速度信息，并將所采集到的加速度信息上傳至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元。信號采集單元是通過三軸傳感信號經(jīng)過調(diào)理電路上傳至單片機(jī)進(jìn)行處理。。（1）加速度傳感器的選型由于設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要的目的是采集人體運(yùn)動的加速度信號，所以需要選擇一款合適的加速度傳感器作為加速度信號的獲取元件，傳感器的選型要以人體運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的加速度信號的特點(diǎn)為依據(jù)[16]。在正常情況下，人體運(yùn)動加速度的頻率和幅度都較低，加速度頻率的極大值出現(xiàn)在跑或跳的運(yùn)動中。運(yùn)動加速度的幅度：在行走運(yùn)動中加速度的幅度在垂直方向上均大于側(cè)向和前后向，而且從人體的頭部到腳部，幅度越來越大，頻譜逐漸向較高頻率移動。行走時(shí)，垂直方向的加速度幅度為-0.3g～0.8g，而水平方向上頭部為-0.2g～0.2g，腰部為-0.3g～0.4g。在脛骨，垂直方向上加速度的幅度為-1.7g～3.3g，而水平方向上為-2.1g～2.3g，以自然速度行走時(shí)，垂直方向上人體上部的加速度頻率范圍為0.8Hz～5Hz，而其峰值出現(xiàn)在腳部接觸到地面的時(shí)刻[16]。較高的頻率成分均是由腳和地面的沖擊力所造成的，并不是由自主的肌肉收縮所導(dǎo)致。根據(jù)人體運(yùn)動時(shí)加速度參數(shù)的特點(diǎn)，用于測量人體運(yùn)動的加速度計(jì)的頻率范圍在0Hz～20Hz即可滿足要求，測量幅度范圍為-3g～+3g。為了便于在人體上進(jìn)行安裝，并盡可能減小加速度傳感器本身對運(yùn)動所產(chǎn)生的影響，在選擇加速度計(jì)時(shí)除了考慮其性能還要考慮體積盡可能小、集成度高、成本低的產(chǎn)品。綜合上述因素，在本系統(tǒng)中選擇基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器ADXL330，這是一款小型低功耗三軸加速度傳感器，具有信號調(diào)理電壓輸出，能測量滿刻度±2g的加速度，它能夠測量在傾斜應(yīng)用的靜態(tài)重力加速度以及運(yùn)動，振動的動態(tài)加速度，具有三路模擬量輸出，分別表示x、y、z三個(gè)敏感軸的加速度信號，盡管其測量幅度范圍較小，但由于其價(jià)格低且基本可以滿足實(shí)驗(yàn)研究的要求，故選擇此款傳感器，圖4.3所示為加速度傳感器ADXL330的內(nèi)部原理框圖。圖3.2ADXL330內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADXL330是基于熱對流效應(yīng)的三軸加速度傳感器，是基于單片CMOS工藝的完整的加速度測量系統(tǒng)，以可移動的熱對流氣團(tuán)作為質(zhì)量塊，通過測量由加速度引起的腔體內(nèi)氣團(tuán)位置的變化來測量加速度。如圖3.3所示，一個(gè)被放置在芯片中央的熱源在空腔中產(chǎn)生一個(gè)懸浮的熱氣團(tuán)，同時(shí)4個(gè)由鋁和多晶硅組成的熱電耦組被等距離且對稱地放置在熱源[17]的4個(gè)方向。在未產(chǎn)生加速度或水平放置時(shí)，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而完全對稱的，此時(shí)，所有4個(gè)熱電耦組因感應(yīng)溫度相同而產(chǎn)生相同的電壓。傳感器的剖面結(jié)構(gòu)，上面是一個(gè)空腔氣室，無外力作用時(shí)，熱氣團(tuán)位于正中央。受到外力作用后，熱氣團(tuán)位置偏移，4個(gè)熱電耦組的平衡被破壞，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而產(chǎn)生差值。由于自由對流熱場的傳遞性,任何方向的加速度都會擾亂熱場的輪廓,導(dǎo)致其不對稱，此時(shí)，4個(gè)熱電耦組的輸出電壓會出現(xiàn)差異，而這種差異是直接與所感應(yīng)的加速度成比例的。在加速度傳感器內(nèi)部有兩條完全相同的加速度信號傳輸路徑，一條用于測量X軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測量Y軸上所感應(yīng)的加速度。（加速度為0）（加速度不為0）圖3.3基于熱對流效應(yīng)的加速度傳感器工作原理由ADXL330具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)，且各方面指標(biāo)能夠滿足對人體運(yùn)動加速度信號采集的基本要求，所以在本系統(tǒng)中選擇此芯片作為系統(tǒng)的傳感元件。（2）信號的抗干擾處理人體運(yùn)動過程中，加速度傳感器所采集的信號除了有效的加速度信號還存在來自外部的其它干攏信號，如果對傳感器的輸出不進(jìn)行任何處理而直接進(jìn)行分析應(yīng)用，顯然無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果，所以必須對傳感器輸出的信號進(jìn)行相應(yīng)的降噪處理，以得到正確的加速度信息。由于前述人體運(yùn)動加速度的頻率一般為0～20Hz，所以對于高于20Hz的加速度信號，可視為干擾，為了減小干擾信號的影響，在傳感器的輸出端設(shè)計(jì)一截止頻率為20Hz的低通濾波器，以去除高頻噪聲[18]。為了減小加速度傳感器輸出信號在傳遞過程中的衰減，利用電壓跟隨器進(jìn)行阻抗的匹配，以提高下一級電路的輸入阻抗，如圖3.4所示。圖3.4利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電壓跟隨器濾波器分為無源濾波器和有源濾波器兩類，由電阻、電容、電感等無源元件組成的RC、LC濾波器屬于無源濾波器，無源濾波器電路形式簡單，但在信號傳遞過程中會消耗信號的能量，造成輸出信號的衰減。為了避免能量的衰減，本系統(tǒng)采用集成運(yùn)算放大器NE5532和RC濾波網(wǎng)絡(luò)組成巴特沃斯二階有源濾波電路，加快帶寬外傳輸系數(shù)的衰減速度，電路如圖4.6所示。（4-1）其中，RFILT=35K，帶寬BW=20Hz，C=0.25uF，實(shí)際電路中，可選取0.22uF的電容值。圖3.5某一軸加速度信號調(diào)理電路圖中濾波器的幅頻響應(yīng)表達(dá)式為（4-2）式中,Auf=1+R6/R7，w2=1/RC，（R=R1=R2,C=C4=C5）,Q=1/(3-Auf)此低通濾波器的上限截止頻率為fH=1/（2RC）。令fH=20Hz，則RC=1/（40）。取R=33KΩ，則C=0.24uf，所以電路中R1、R2取值為33KΩ，C4、C5取值為0.22Uf[19]。3.3信號處理單元設(shè)計(jì)加速度傳感器輸出的模擬信號經(jīng)濾波處理后，還要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用從機(jī)的控制芯片MSP430單片機(jī)內(nèi)部自帶的8位A/D轉(zhuǎn)換器。由加速度傳感器ADXL330、信號調(diào)理電路與單片機(jī)MSP430及相關(guān)外圍電路組成信號處理單元，完成對信號的轉(zhuǎn)換與處理。單片機(jī)通過現(xiàn)場總線控制單片機(jī)進(jìn)行信號的采集以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果以現(xiàn)場總線協(xié)議的方式發(fā)送回PC存儲。采集電路設(shè)計(jì)如圖3.6所示。圖3.6信號處理單元外圍電路原理圖圖中K1～K4主要用于對信號處理單元進(jìn)行功能設(shè)置，與主機(jī)I/O口直接相連，主機(jī)通過現(xiàn)場總線協(xié)議與單片機(jī)的I/O口產(chǎn)生通訊的請求信號。數(shù)據(jù)處理單元主要完成對信號采集單元所采集到的多路加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的設(shè)定、數(shù)據(jù)的存儲以及與信號采集單元之間、與上位機(jī)之間的通信。數(shù)據(jù)處理單元的硬件組成主要包括：CPU單元、存儲器擴(kuò)展電路、輸入輸出電路、通信電路、時(shí)鐘電路以及電源電路。3.3.1主控制器的選型MSP430單片機(jī)在CIP-51內(nèi)核和外設(shè)方面有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)獨(dú)立于微控制器工作，只在必要時(shí)中斷微控制器。一個(gè)中斷驅(qū)動的系統(tǒng)需要較少的MCU干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率，并使多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)更加容易。MSP430單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)12位SARADC和一個(gè)27通道單端輸入多路選擇器，該ADC的最大轉(zhuǎn)換速率為200ksps。ADC系統(tǒng)包含一個(gè)可編程的模擬多路選擇器，用于選擇ADC的輸入。端口0~2可以作為ADC的輸入；另外，片內(nèi)溫度傳感器的輸出和電源電壓（VDD）也可以作為ADC的輸入。用戶固件可以將ADC置于關(guān)斷狀態(tài)或使用突發(fā)模式以節(jié)省功耗。MSP430單片機(jī)內(nèi)部24個(gè)I/O引腳，端口引腳被組織為三個(gè)8位端口。端口的工作情況與標(biāo)準(zhǔn)8051相似，但有一些改進(jìn)。每個(gè)端口引腳都可以被配置為數(shù)字或模擬I/O引腳。被選擇作為數(shù)字I/O的引腳還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉”可以被單獨(dú)或總體禁止，以降低功耗。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，MSP430單片機(jī)單片機(jī)足以滿足控制要求，功耗較低。因此選擇MSP430單片機(jī)作為主控制器。3.3.2外圍電路設(shè)計(jì)為了CPU正常工作，使系統(tǒng)能夠完成其功能要求，需要設(shè)計(jì)必要的外圍電路。本系統(tǒng)的時(shí)鐘電路，如圖3.7所示，圖3.8復(fù)位電路為系統(tǒng)提供上電復(fù)位及手動復(fù)位。圖3.7系統(tǒng)時(shí)鐘電路原理圖圖3.8系統(tǒng)復(fù)位電路原理圖3.3.3輸入輸出電路系統(tǒng)輸入輸出電路主要用于用戶輸入指令或進(jìn)行功能設(shè)定以及輸出顯示各類相關(guān)信息，輸入部分采用按鍵方式，直接接到單片機(jī)的I/O口上，共四個(gè)功能鍵，分別定義為：設(shè)定、增量、減量、確定；輸入部分的電路分別如圖3.9所示。3.9輸入接口原理圖按鍵一端經(jīng)上拉電阻接至電源，另一端接地，并聯(lián)0.1uF電容起到硬件防抖動的功能，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，I/O口檢測為低電平。3.3.4現(xiàn)場總線通信電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)通信部分主要包括數(shù)據(jù)處理單元與PC的之間的通信。數(shù)據(jù)處理單元與信號PC遠(yuǎn)程之間采用PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線的通信方式，如圖3.10所示。圖3.10與上位機(jī)通信電路原理圖3.3.5現(xiàn)場總線供電電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理單元供電可采用兩種模式，一是采用外部直流電源供電；二是用LM7805穩(wěn)壓芯片對輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，產(chǎn)生5V直流電壓，供給系統(tǒng)中各個(gè)單元，如圖3.11所示。圖3.11電源部分原理圖3.3.6現(xiàn)場總線供電分析本文對本質(zhì)安全現(xiàn)場總線設(shè)備的供電方式做了比較,包括隔離供電、集中式供電和總線供電,討論和分析了常用總線供電儀表的能量獲取方式和信號傳輸原理,這為特定場所的現(xiàn)場總線系統(tǒng)供電方案的選擇提供了有益的參考?，F(xiàn)場總線設(shè)備的供電可分為總線供電型和非總線供電型?？偩€供電型節(jié)點(diǎn)設(shè)備的電源是通過電纜集中供給。其中又分電源獨(dú)立供給型—集中式供電;電源和信號復(fù)合型—總線供電。而非總線供電型節(jié)點(diǎn)設(shè)備的電源則是由各自獨(dú)立的電源供電?？偩€供電的本質(zhì)安全型儀表，其工作電流和系統(tǒng)中儲能元件的使用都受到了嚴(yán)格的限制。非總線供電儀表由于沒有嚴(yán)格的功耗限制,其硬件設(shè)計(jì)相對簡單。非總線供電型在實(shí)際使用中一般采用隔離供電的方法,一般將節(jié)點(diǎn)設(shè)備的電源分為工作電源與通訊傳輸電源。節(jié)點(diǎn)工作電源可就地供給，通訊傳輸電源或由本地電源隔離供給或由電纜集中供給。該種方法需增加光電隔離電路，以便將節(jié)點(diǎn)的工作電路和傳輸電路隔離、通訊信號于工作信號相隔離，保證系統(tǒng)的本質(zhì)安全防爆性能。因通訊傳輸電源的功率要求不高，總線的負(fù)載較輕。所以，在本質(zhì)安全型防爆電源輸出功率允許的條件下，采用隔離供電時(shí)，總線上連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多。集中式供電法就是節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作電流和傳輸電源均由總線供給。即工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備傳輸工作電源。傳輸媒介采用4芯電纜。其中4芯用于向節(jié)點(diǎn)設(shè)備供電，采用集中式供電主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮，總線供電能減少線纜，降低布線成本。其缺點(diǎn)是總線上所接節(jié)點(diǎn)數(shù)量小。這是因?yàn)楸举|(zhì)安全防爆電源的輸出功率受防爆要求限制不能太大,特別是電纜的分布參數(shù)和節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的儲能元件(電感和電容)將進(jìn)一步制約本質(zhì)安全型防爆電源的輸出功率。當(dāng)需連接節(jié)點(diǎn)數(shù)多時(shí),可以采用多條總線并聯(lián)的辦法來解決。圖3.12集中式供電現(xiàn)有符合本質(zhì)安全要求的現(xiàn)場總線儀表幾乎都采用了總線供電技術(shù)，即維持儀表工作的能量全部從傳輸信號的兩根總線上獲取?？偩€供電設(shè)備由于電源本身即取自信號線，所以在構(gòu)成本質(zhì)安全的防爆結(jié)構(gòu)時(shí)，具有很大的優(yōu)勢。圖3.13總線并聯(lián)法供電具有總線供電能力的現(xiàn)場總線有HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)、FF(FoundationFieldbus)、PROFIBUS-PA和LonWorks。根據(jù)物理層協(xié)議的不同,其能量提供、獲取方式各不相同。本課題采用PROFIBUS-PA的現(xiàn)場總線供電，PROFIBUS-PA總線的物理層協(xié)議均遵從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸采用非直流傳輸?shù)奈煌?、曼徹斯特編碼協(xié)議(也成H1編碼)，用曼徹斯特編碼傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，信號沿從0變到1時(shí)發(fā)送二進(jìn)制“0”，信號沿從1變到0時(shí)發(fā)送二進(jìn)制“1”。數(shù)據(jù)的發(fā)送采用調(diào)節(jié)電流±9mA到總線系統(tǒng)的基本電流Ib的方法來實(shí)現(xiàn)。這種編碼的特點(diǎn)是信號不會出現(xiàn)長時(shí)間的高電平或低電平，且處于高、低電平的時(shí)間大體相等。這一點(diǎn)對實(shí)現(xiàn)總線供電極為關(guān)鍵?？偩€供電電源的電壓范圍為9～32V，典型連接方法如下圖所示，電源必須通過阻抗器(或使用內(nèi)置阻抗器的總線專用電源)與總線相接，如圖3.14，使其在不同頻率范圍內(nèi)具有不同的輸出阻抗。接于電源附近和總線最遠(yuǎn)端的兩個(gè)終端器，除了用于匹配傳輸線的阻抗外，也是產(chǎn)生電壓信號的重要器件。圖3.14總線供電型拓?fù)鋱D現(xiàn)場總線儀表以31.25Kbit/s的速率通過改變其從總線上吸取的電流來發(fā)送信號。發(fā)送儀表的電流變化波形的峰-峰值應(yīng)在15～30mA之間，電流的變化應(yīng)該能夠在50Ω等效負(fù)載上產(chǎn)生0.75～1.5V峰-峰值的電壓信號。如果取電流峰-峰值20mA，則儀表從總線上吸取的電流將在IQ=±10mA之間變化，在信號的低電平狀態(tài)，儀表從總線上吸取的電流可以很小，甚至為0，而不會影響儀表的正常工作。這是由于信號是以曼徹斯特碼的形式輸出的。發(fā)送信號在低電平狀態(tài)的停留時(shí)間最多只有2個(gè)時(shí)鐘周期(64μs),在此期間，器件的工作電流可由儀表內(nèi)部的電容提供，在接下來的高電平狀態(tài),儀表將從總線上吸取IQ=10mA，為電容充電。這個(gè)過程與常用的電源電路的整流濾波過程很相似，整流橋輸出的電流是脈動的，但在電容濾波后提供給負(fù)載的電流則是連續(xù)的。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：一是信號采集單元程序設(shè)計(jì)，二是以MSP430為主控制器的數(shù)據(jù)處理單元程序。由于信號采集單元的每一個(gè)傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的，分別通過信號調(diào)理電路送往單片機(jī)完成信號的采集，而所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受一個(gè)主機(jī)控制，主機(jī)完成對多個(gè)從機(jī)的管理以及數(shù)據(jù)的上傳等功能；MSP430單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理單元程序主要完對信號采集單元上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)運(yùn)動測量系統(tǒng)的具體應(yīng)用作出相應(yīng)的判斷或決策[25]。4.1信號處理單元程序設(shè)計(jì)信號采集單元完成加速度信號的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，PC的作用則是控制從機(jī)同步進(jìn)行信號的采集并匯總所有從機(jī)的采集結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)處理單元，下面分別介紹信號處理單元的程序設(shè)計(jì)。信號采集單元通過單片機(jī)的開始指令完成相應(yīng)的采集任務(wù)，主要包括啟動信號采集、上傳采集數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)的功能。當(dāng)單片機(jī)啟動采集的指令后，將以一定的頻率對加速度計(jì)ADXL330輸出的三通道模擬量進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果暫存在片內(nèi)的RAM中，當(dāng)接收到PC發(fā)出的上傳指令后，將存儲區(qū)的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線協(xié)議上傳至PC，單片機(jī)的主程序及中斷服務(wù)程序流程圖如圖4.1所示。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化對傳感器X/Y/Z輸出進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換暫存轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲區(qū)滿開始地址指針復(fù)位NY響應(yīng)中斷保護(hù)斷點(diǎn)命令類型發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)定參數(shù)刪除全部數(shù)據(jù)恢復(fù)斷點(diǎn)中斷返回開始圖4.1單片機(jī)對信號采集流程圖開始單片機(jī)程序在運(yùn)行時(shí)，只響應(yīng)I/O中斷請求，在沒有中斷信號時(shí)，以固定的采樣頻率對加速度傳感器輸出的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲，當(dāng)PC發(fā)出中斷請求時(shí)，單片機(jī)響應(yīng)中斷，根據(jù)PC的命令類型，進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳或其它操作。前面已經(jīng)介紹，人體在自然運(yùn)動時(shí)其加速度變化頻率一般小于20Hz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，有fs>2fmax，即系統(tǒng)采樣頻率必須是被測信號成分中最大頻率的兩倍以上，才能正確地復(fù)現(xiàn)原始信號，為了更準(zhǔn)確地反映出人體運(yùn)動時(shí)肢體被測點(diǎn)的加速度變化，單片機(jī)以300Hz的頻率對ADXL330的三路模擬量輸出進(jìn)行A/D采樣，對于加速度計(jì)X、Y、Z每個(gè)通道輸出的采樣頻率也就是100Hz。為了保證采樣頻率的穩(wěn)定性，從機(jī)采用定時(shí)中斷的方式啟動A/D轉(zhuǎn)換對加速度信號進(jìn)行采樣。單片機(jī)對PC完成匯總和上傳功能，PC根據(jù)預(yù)設(shè)功能可對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳或定時(shí)上傳，功能的預(yù)設(shè)通過按鍵完成。4.2數(shù)據(jù)處理單元程序設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)處理單元主要完成如下功能：由單片機(jī)接收加速度數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行數(shù)字濾波，利用合理的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到相關(guān)結(jié)論；與上位機(jī)通信等，其軟件流程圖如圖4.2所示。開始開始系統(tǒng)初始化采集單元準(zhǔn)備好？功能設(shè)置？讀入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)數(shù)字濾波處理數(shù)據(jù)處理結(jié)論輸出進(jìn)行相關(guān)設(shè)置NYNY圖4.2單片機(jī)對數(shù)據(jù)處理流程圖系統(tǒng)初始化環(huán)節(jié)主要是對MSP430單片機(jī)自身以及相關(guān)外圍器件進(jìn)行初始化，保證各環(huán)節(jié)處于正常工作狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的初始化之后，查詢等待信號采集單元上傳就緒信號，如超出系統(tǒng)等待時(shí)間，系統(tǒng)將嘗試再次與采集單元進(jìn)行通信，如通信失敗，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在系統(tǒng)完成了初始化工作后，用戶可通過數(shù)據(jù)處理單元功能按鍵進(jìn)行相關(guān)的功能、參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)會保存當(dāng)前設(shè)置，如不對功能進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)則默認(rèn)為上一次的設(shè)置值。功能、參數(shù)的設(shè)置主要的意義在于，加速度傳感器可能應(yīng)用于不同的場合，如動作規(guī)范性判斷、運(yùn)動速度測量、位移測量等，對于不同的應(yīng)用場合精度、算法會有不同，所以要進(jìn)行功能及參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)主要可設(shè)置的功能包括：（1）空間位移測量；（2）動作規(guī)范性訓(xùn)練；（3）動作識別。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置主要是針對系統(tǒng)的靈敏度。數(shù)據(jù)處理單元的工作就是對加速度傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，將數(shù)據(jù)讀入則是數(shù)據(jù)處理的第一步，系統(tǒng)根據(jù)需求讀入數(shù)據(jù)的方式有實(shí)時(shí)讀入和批量讀入兩種方式。實(shí)時(shí)讀入方式指的是信號采集單元每完成一次加速度信號采集經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后立即將當(dāng)前一組數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理單元；而批量讀入方式則是信號采集單元完成當(dāng)前信號的采集和轉(zhuǎn)換后將結(jié)果暫存，直到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出讀取指令，再將多組加速度數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)字濾波方法有很多，在本系統(tǒng)中采用程序判斷的濾波方法。工程實(shí)踐表明，許多物理量的變化都需要一定的時(shí)間，相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的限度。程序判斷濾波就是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定出相鄰兩次采樣信號之間可能出現(xiàn)的最大偏差ΔY，若超出此偏差值，則表明該輸入信號是干擾信號，應(yīng)該去掉；若小于此偏差值，可將信號作為本次采樣值。在本系統(tǒng)中所采用的是限幅濾波的方法，即將兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量(以絕對值表示)，然后與兩次采樣允許的最大差值(由采集對象的實(shí)際情況決定)ΔY進(jìn)行比較，若小于或等于ΔY，則取本次采樣值；若大于ΔY，則仍取上次采樣值作為本次采樣值。以體育訓(xùn)練為例，在研究人體動作時(shí)，主要研究的參數(shù)一般包括肢體力量、運(yùn)動速度、肢體位移軌跡、空間位置等，而以上各項(xiàng)參數(shù)，均可通過對肢體被測點(diǎn)的加速度計(jì)算得出。力：F=ma。式中：F為肢體動作的力量，m為運(yùn)動肢體的等效質(zhì)量,a為運(yùn)動加速度，速度：，式中：a為運(yùn)動速度，v0為初始速度，為加速度對時(shí)間的積分。位移：式中：s為位移量，v0為初始速度，a為運(yùn)動加速度，t為運(yùn)動時(shí)間。位置：P(x,y,z)=P0(x,y,z)+S(x,y,z))式中：P表示被測點(diǎn)的終止位置，P0為初始位置，S為位移軌跡。數(shù)據(jù)處理單元在完成對數(shù)據(jù)的分析處理后將得出相關(guān)的結(jié)論，如動作識別的結(jié)果，動作是否符合規(guī)范以及動作的復(fù)原等，對于動作規(guī)范與否的判斷可通過將采集到的動作信息與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，之后通過其顯示輸出電路輸出相應(yīng)的聲光信息，而對于動作復(fù)原方面的應(yīng)用則要通過現(xiàn)場總線通訊協(xié)議上傳至PC機(jī)，由PC機(jī)完成數(shù)據(jù)存儲等功能。5總結(jié)與展望5.1總結(jié)論文結(jié)合運(yùn)動生物力學(xué)的發(fā)展，在查閱了大量相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對人體運(yùn)動的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對人體運(yùn)動的測量方法進(jìn)行了總結(jié)和研究，結(jié)合人體的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特點(diǎn)，建立了人體運(yùn)動的模型及人體運(yùn)動的空間坐標(biāo)系。并重點(diǎn)研究了基于加速度傳感器的運(yùn)動測量方法。人體加速度信息對人體運(yùn)動的反映，以及在體育鍛煉、醫(yī)療康復(fù)、運(yùn)動與步態(tài)識別、運(yùn)動與健康管理、生物認(rèn)證等領(lǐng)域應(yīng)用的日益發(fā)展。根據(jù)人體運(yùn)動加速度信息獲取課題任務(wù)的要求，提出一種新穎的分布式人體運(yùn)動加速度信息無線獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，能對人體多達(dá)12個(gè)關(guān)鍵運(yùn)動環(huán)節(jié)的加速度信息進(jìn)行同步獲取。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提出了