[发明专利]基于MEMS惯性传感器模组的工业手环

权利要求书

1.一种基于MEMS惯性传感器模组的工业手环，包括用于佩戴于手腕部的手环体，其特征是：在手环体内设有MEMS惯性传感器模组，所述MEMS惯性传感器模组包括MEMS惯性传感器以及与所述MEMS惯性传感器电连接的微处理器，MEMS惯性传感器能实时采集手环体对应的加速度、角速度以及磁场数据，并将所采集的加速度、角速度以及地磁场数据传输至微处理器内；

微处理器根据接收的加速度、角速度以及磁场数据进行姿态解算得到动作姿态角，并根据得到的动作姿态角识别确定的操作动作，当所述识别确定的操作动作与微处理器内预设的规范动作不一致时，微处理器能输出提示报警信息；

微处理器根据加速度、角速度以及磁场数据得到动作姿态角的具体包括如下步骤：

步骤S1、根据静态加速度值确定初始姿态角，并根据初始姿态角确定初始四元数；

步骤2、利用采集的角速度采用插值方式更新四元数，具体插值更新方法为

其中，q₀为插值前的四元数，q₁为待插入的四元数，q为更新后的四元数，t为插值系数；η为由插值前的四元数q₀与待插入的四元数q₁确定的系数；

步骤3、根据更新后的四元数q确定解算姿态角，并利用磁场数据对解算姿态角进行校正，以得到动作姿态角；

步骤2中，利用角速度得到待插入的四元数q₁的过程包括如下步骤：

步骤2.1、利用采集的角速度分别得到翻滚角、俯仰角以及航向角，

其中，为翻滚角、θ为俯仰角，ψ为航向角，ω_x、ω_y、ω_z分别为角速度在X轴、Y轴以及Z轴的分量，Δt为采样周期；

步骤2.2、根据上述的翻滚角俯仰角θ以及航向角ψ，得到待插入的四元数q₁，具体为：

其中，待插入的四元数数q₁为四行一列的矩阵；

微处理器内利用动作的平均能量、动作长度、波峰数、加速度能量最大轴、角速度能量最大轴、波峰或波谷以及角速度达到峰值的点个数建立动作模型库，微处理器得到动态姿态角后，利用所得到的姿态角与微处理器内的动作模型库进行匹配决策，以确定检测到的操作动作是否符合设定的标准动作规范；

1)、动作的平均能量

手势能量主要反映动作运动的激烈程度，具体地：

其中，a_xi、a_yi、a_zi分别代表动作开始之后X轴、Y轴和Z轴上的第i个点的加速度值，N为手势中加速度采样点的个数，M为手势中角速度采样点的个数；ω_xi、ω_yi、ω_zi分别代表动作开始之后X轴、Y轴和Z轴上的第i个点的角速度值；E_a为加速度的能量，E_ω为角速度的能量；

2)、动作长度

动作长度就是动作持续时间，即从动作的开始到动作的结束所持续的时间，通过手势的终点减去手势的起点得到的就是手势的长度；具体为：

T＝T_终点-T_起点

其中，T为动作长度；T_起点代表动作起始时刻，T_终点代表动作结束时刻；

3)、波峰数

波峰数表示的是动作波形达到正值或负值的个数，其物理意思是手势的来回运动；手势的波峰数表示的是手势波形达到正值或负值的个数，其物理意思是手势的来回运动；波峰数的具体计算方法为：首先得到手势数据的起点和终点，然后将手势数据的起点和终点处赋值为0，因为在计算波峰数时是在与水平坐标轴相交的两点之间找加速度最大最小值，当最大最小值满足波峰条件时则波峰数加1；若不将手势起点和终点数据赋值为0，则会在起点和终点处找不到与水平坐标轴的交点而少算波峰数；

4)、加速度能量最大轴

在手势判断中，需要计算三轴的加速度能量得到能量最大的那个轴，计算公式如下：

其中N为手势中加速度采样点个数，E_ax、E_ay、E_az分别为加速度在X轴、Y轴以及Z轴上的能量，通过比较三者大小可以初步确定旋转轴；

5)、角速度能量最大轴

与加速度最大轴类似，也可以用来确定旋转方向，具体为：

其中M为手势中角速度采样点个数，E_ωx、E_ωy、E_ωz分别为角速度在X轴、Y轴以及Z轴上的能量，通过比较三者大小可以初步确定旋转方向；

6)、波峰或波谷，

波峰和波谷就是角速度或加速度波形是先达到波峰或波谷，其物理含义是旋转的方向问题；只需要在试验之前规定正方向即可通过先达到波峰或波谷来确定手势的方向问题；

7)、角速度达到峰值的点个数

角速度达到峰值的点的个数越多，则代表载体旋转的角度越大。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS惯性传感器模组的工业手环，其特征是，在所述手环体内还设有指示灯、震动马达以及喇叭，指示灯、震动马达以及喇叭均与微处理器连接，所述微处理器上还连接有蓝牙模块。