摘要：現在市面上的可穿戴設備越來越多，對于可穿戴設備，尤其是手腕式的可穿戴設備的競爭日益激烈。對于可穿戴設備的研究核心在于可穿戴傳感器的研究。可穿戴設備的功能日趨強大與其內部使用的可穿戴傳感器數量的增加和性能提高息息相關。本文基于MEMS 六軸傳感器技術，目的在于設計出一套可以用于運動軌跡檢測的可穿戴設備。利用現有的藍牙4.0 技術，將六軸傳感器收集到的數據實時傳送到上位機，通過MATLAB 等仿真軟件以及合理的數據處理，得到最接近現實的運動軌跡。

　　可穿戴運動監測系統是可穿戴計算在體育領域的典型應用，可穿戴運動監測系統旨在不妨礙用戶運動的前提下，為用戶提供連續、準確的運動監測功能。國內外學者已在該研究領域做了大量的工作，研制出許多相關的設備和應用。然而這些設備或者應用不是體育專家，并不能真正根據這些信息給出準確的建議，只能根據這些信息給出大致運動評估。另一方面，由于缺乏大規模的數據處理能力、多維度的數據分析能力，以及深入的數據挖掘能力，即便收集的數據里蘊含大量有用信息，甚至包括可以直接用于分析運動的數據，基于數據處理挖掘能力問題，也會被海量數據淹沒。

　　鑒于此，文中提出了一種新的可穿戴系統。該系統基于MEMS 六軸傳感器，通過采集物體在運動過程中產生的以六軸傳感器為校準點的三軸加速度和三軸角速度，通過藍牙4.0無線傳輸到配備了藍牙USBdongle 的上位機進行數據處理和軌跡模擬。

　　1 可穿戴運動監測系統基本原理

　　本文中的可穿戴運動監測系統建立于仿真運動軌跡的慣性技術的基礎上，主要通過運動傳感器實現。本系統主要采用了倆種運動傳感器：三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器。加速度傳感器用來測量運動物體的加速度，作為計算速度和位移的原始數據。陀螺儀用來測量于東物體的角速度，以此確定三維空間中運動物體的加速度傳感器的參考坐標系，有利于位移軌跡的計算。

　　1.1 加速度傳感器工作原理

　　加速度是表征物體在空間運動本質的一個基本物理量，可以通過測量加速度來測量物體的運動狀態。加速度傳感器的基本原理可以由圖1 說明，其中m 是指方塊的質量，k 是彈簧的剛度，c 是阻尼器與儀表殼相連。

　　圖1：加速度傳感器的工作原理圖

　　傳感器基座與被測運動體相固聯，因而隨運動物體一起相對于慣性空間的某一參考點作相對運動。由于檢測質量塊不與傳感器基座固聯，因而在慣性力作用下將與儀表機殼產生相對位移。檢測質量塊感受加速度并產生于加速度成比例的慣性力，從而使彈簧產生與質量塊相對位移相等的伸縮變形，彈簧變形又產生與變形量成比例的反作用力。當慣性力與彈簧反作用力相平衡時，檢測質量塊相對于基座的位移與加速度成正比，故可通過該位移或慣性力來測量加速度。

　　根據胡克定律，公式如下：

　　Δx=x0-x （1）

　　F=kΔx=ma （2）

　　Δx 是檢測質量塊的相對位移。由上式可知，檢測質量塊的相對位移量Δx 與加速度a成正比。

　　1.2 陀螺儀工作原理

　　陀螺儀(gyroscope) 的原理就是一個旋轉物體的旋轉軸所指方向在不受外力是不會改變的。就像一個陀螺在高速旋轉的時候是不會倒下。但是陀螺儀工作的實收是必須要給它一個力，使它快速旋轉起來，旋轉速率一般要達到幾十萬轉，這樣就能工作很長時間。采用多種方法讀取軸的信息，并將信號傳給控制系統前，進而進行分析和處理。

　　1.3 MEMS六軸傳感器工作原理

　　MEMS慣性傳感器采用集成電路的工藝，以其獨特的加工工藝區別于其他慣性傳感器。優點在于可靠性高、制造成本低廉、并且壽命更長。同時還具有重量輕、易集成、耗電量低、體積小、能大批量生產的特點。MEMS 傳感器在同一個芯片上進行信號傳輸前可放大信號，提高信號水平，減小干擾和傳輸噪聲。特別是同一芯片上進行A/D 轉換時，更能改善信噪比。