[发明专利]一种信息采集系统和方法、人机交互系统和方法及一种鞋

说明书

技术领域

本发明涉及模式识别、电子信息技术与计算机科学领域，尤其设计一种带有运动数据检测与体感游戏功能的鞋和系统，以及一种人机交互的方法。

背景技术

随着电子技术的发展，传统制鞋业领域出现了一种新型运动鞋——智能运动鞋。智能运动鞋是一种运动或者健身的辅助工具，其在普通运动鞋内部安装传感器以测算用户的运动数据。

然而，现有的智能运动鞋只能用来测量速度、里程、高度等“直接”、“简单”的运动数据，不具备对所测量的数据进行处理、分析的能力。也就是说，其无法对人体运动模式这种“间接”数据进行识别，如对人体脚步移动方向的判断，也就更不可能进一步利用人体不同的动作进行人机交互的控制，如进行PC或手机端的游戏交互控制等。

人体运动模式识别的主要难点在于三点：其一、用于人机交互如体感游戏控制过程中，人的运动是没有规律性的，多属于随机动作，因此相比于跑步和走路这种规律性运动，运动模式的准确识别难度要比测量速度和里程等数据大的多；其二、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems微机电系统)元件具有漂移的特性，随着使用时间的推移和温度的变化，其输出值会随之漂移，因此这种漂移特性给人体运动模式识别的方法提出了更高的要求；其三、每个人的脚部运动模式有其特殊性，如有些人是外八字步和内八字步等，需要给出一种普适性的实现方案，可以适应于大多数人群，这也给运动模式识别带来了很大的困难。

而在游戏娱乐领域，对于需要用脚来进行的游戏，如跳舞类、足球类游戏，以及最新的跑酷类游戏，大多数依然还是在用传统人机交互方式如手柄、键盘以及触摸屏来控制。如国内非常流行的跳舞机类游戏《劲舞团》和《QQ炫舞》，基本还是在用键盘的“上下左右”等方向键来控制。目前已经有部分跳舞机类游戏采用了“跳舞毯”进行游戏，但是这种跳舞毯的局限性较大，比如，跳舞毯的大小是固定的，对于不同身高腿长的人群(大人和小孩子)，没有普遍适应性；再如，用户需要踩到固定的位置(压电感应的传感器放置位置)，才能产生控制信号，用户的运动空间受到跳舞毯大小和放置位置的制约，控制方式死板。

综上所述，无论是运动领域还是娱乐领域，特别是适于用脚来完成的游戏，亟待一种没有束缚的新型控制方式，以人脚部的运动状态(例如移动方向)来直接控制运动或游戏，达到一种自然和谐人机交互的目的。

发明内容

1、本发明所要解决的技术问题

本发明旨在提供一种低成本、低功耗的解决方案，以实现人机交互，特别是实现人体脚部的运动数据测量以及运动模式识别，并进一步实现人机交互。设计了一种基于单个三轴加速度计和低功耗无线通讯技术的人体脚部运动信息采集传感器，可以放置在鞋子的足弓处，基于步态识别技术以及对MEMS元件漂移的补偿算法，可以计算人体运动数据。并基于模式识别技术，进一步实现了人体脚部的不同动作的识别，并将识别出的动作进一步用于人机交互。系统整体设计以低功耗为目标，除了在选用硬件上注重低功耗以外，在通讯协议和数据交互方式上，采用了休眠唤醒机制和事件驱动型的数据发送方式，以降低计算功耗和通讯开支，从而实现整体系统的低功耗。

本发明除了可以实现规律运动如跑步和走路等的运动数据计算外，还可以实现人体无规律运动时的运动模式检测，并利用不同的动作直接控制体感游戏。

特别的，当上位机是PC机时，基于Windows系统API，本发明可以将人体不同的动作通过模拟系统输入的方式，映射为PC的键盘和鼠标输入。

2、解决其技术问题采用的技术方案

本发明所述的一种运动信息采集系统，包括：数据采集单元，用于采集加速度数据；数据处理单元，对加速度数据进行处理；其中，数据处理单元包括根据所采集的加速度数据获得运动信息的程序。

数据采集单元包括：基于三轴加速度传感器，其用于获得采样周期T的三个轴向的电压信号V_x，V_y和V_z。

数据处理单元包括：中央处理单元，其用于处理电压信号V_x，V_y和V_z并根据电压信号V_x，V_y和V_z获得运动信息。

中央处理单元包括：信号调理单元，其对电压信号V_x，V_y和V_z进行处理以获得数字化的加速度运动信息。