本發(fā)明涉及檢測(cè)運(yùn)動(dòng)軌跡演奏音響的方法，尤指一種智能架子鼓音效系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

架子鼓是樂(lè)器中的佼佼者，然而由于其體積龐大，難以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)移動(dòng)，是架子鼓不能走進(jìn)小型演唱會(huì)的重要原因。再加上其價(jià)格昂貴，使得架子鼓難以走入尋常百姓家。在可穿戴設(shè)備興起的浪潮中，將架子鼓與可穿戴設(shè)備相融合，使架子鼓音樂(lè)系統(tǒng)變成體積小、成本低的樂(lè)器，提供給架子鼓愛(ài)好者或者沒(méi)有足夠空間擺放真實(shí)架子鼓的場(chǎng)合。是架子鼓發(fā)展市場(chǎng)的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺失和市場(chǎng)的需要，本發(fā)明的目的在于提供一種智能架子鼓音效系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案之一是：提供一種智能架子鼓音效系統(tǒng)，其特征在于：包括裝于模擬鼓棒中的微處理器、與微處理器連接的傳感器和氣壓計(jì)，所述微處理器通過(guò)藍(lán)牙與上位機(jī)連接，其中：

傳感器和氣壓計(jì)用于捕捉用戶(hù)使用鼓棒時(shí)的姿態(tài)變化數(shù)據(jù)；

微處理器用于對(duì)采集的姿態(tài)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，整合兩個(gè)鼓棒數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；

藍(lán)牙模塊用于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。

進(jìn)一步地：

所述微處理器可以采用STM32微型處理器。

所述傳感器可以采用MPU6050九軸傳感器。

所述氣壓計(jì)可以采用MAS5611-01BA03氣壓計(jì)。

所述藍(lán)牙可以是BLE低功耗藍(lán)牙4.0。

系統(tǒng)可以裝有開(kāi)關(guān)，用于控制系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)停。

所述上位機(jī)可以是現(xiàn)場(chǎng)的電子音響裝置或移動(dòng)終端(例如手機(jī)、可移動(dòng)的電子音響設(shè)備)。

本發(fā)明同時(shí)提供一種利用上述架子鼓音效系統(tǒng)的架子鼓音效實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟：

步驟S1，數(shù)據(jù)采集和處理：采集模擬鼓棒的X、Y、Z三軸的加速度、角度和高度值，并求出以下三個(gè)值：

a_z＝((A_zH＜＜8)|A_zL)/32768*16*g

其中a_z為Z軸加速度、A_Z為傳感器傳回的Z軸加速度值，H、L分別表示數(shù)據(jù)的高低位、g為重力加速度值；

Yaw＝((YawH＜＜8)|YawL)/32768*180(°)

其中：Yaw為偏航角；

H＝((H3＜＜24)|(H2＜＜16)|(H1＜＜8)|H0)(cm)

其中H為高度值，H3、H2、H1、H0為高度數(shù)據(jù)的高低位；

將Z軸加速度a_z，角度的3個(gè)方向值Y_awx,Y_awy,Y_awz以及高度H分別用q1,q2,q3,q4,q5表示，同時(shí)將第i時(shí)刻的動(dòng)作數(shù)據(jù)用向量表示，在一段連續(xù)的時(shí)間內(nèi)，若干個(gè)時(shí)間點(diǎn)的去Q_i列向量進(jìn)行組合形成時(shí)間-數(shù)據(jù)矩陣w[i][j](i<＝5,j為第j個(gè)時(shí)間點(diǎn))，于是，w[1][j]代表著第j個(gè)時(shí)間點(diǎn)的加速度值，w[2][j]代表著第j個(gè)時(shí)間點(diǎn)的x軸角度值，依次類(lèi)推；

步驟S2，進(jìn)行姿態(tài)分析：

判斷步驟S1所得的w[1][j]是否滿(mǎn)足以下條件：

w[1][j]<w[1][j-1]&&w[1][j]<w[1][j+1]&&w[1][j]<min

w[1][j]-min<D

其中D為識(shí)別判定中，新數(shù)據(jù)與波谷之間的差值需要滿(mǎn)足的閾值；min為識(shí)別判定中，波谷的最大限制閾值；

否則返回步驟S1；是則認(rèn)定該點(diǎn)為敲擊點(diǎn)，記錄數(shù)據(jù)j，并由此找出與j相對(duì)應(yīng)的角度Yaw和高度H；依次記錄為t1，t2，t3…，tm，以此確定敲擊方向和高度；

步驟S3,依據(jù)敲擊方向和高度執(zhí)行發(fā)聲函數(shù)，確定镲和鼓的發(fā)音選擇，返回步驟S1。

可選地，在步驟S1之前，針對(duì)不同的使用者對(duì)D，min兩個(gè)閾值的設(shè)定進(jìn)行確認(rèn)，

步驟S0-1,單次敲擊動(dòng)作閾值確認(rèn)：

使用者按照提示，用四肢分別控制相應(yīng)模塊單獨(dú)敲擊十次，在這個(gè)過(guò)程中，不斷地采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行濾波處理，確定每次敲擊過(guò)程中數(shù)據(jù)變化的波峰、波谷以及波谷變化到波峰所需要的時(shí)間，舍棄前三次的數(shù)據(jù)，根據(jù)剩下的數(shù)據(jù)做如下設(shè)定：

min＝剩余數(shù)據(jù)中波谷的最大值；

D＝min+(剩余數(shù)據(jù)每組的波峰與波谷的差值的平均值)*30％。

另外，可選地，針對(duì)同一使用者，可以進(jìn)行多次敲擊動(dòng)作閾值優(yōu)化。

步驟S0-2,多次敲擊動(dòng)作閾值優(yōu)化：

在步驟S0-1成功之后的0.1s至0.17s之內(nèi)判定另一次敲擊，該次敲擊所得的min和D進(jìn)行min*110％和D*90％的運(yùn)算，所得值作為新的相應(yīng)的min和D。

另外，為了確定敲擊方向角度值和鼓棒敲擊位置的關(guān)系，可選地，在執(zhí)行步驟S1之前，確定敲擊方向角度閾值，

步驟S0-3,確定敲擊方向角度閾值:

步驟S0-3-1:將鼓棒水平放置，在5秒時(shí)間內(nèi)保持不變，得到初始位置偏航角角度值μ，在使用過(guò)程中，根據(jù)用戶(hù)每次的敲擊動(dòng)作，得到敲擊點(diǎn)的偏航角角度值λ

步驟S0-3-2:計(jì)算得到差值σ＝λ-μ；

步驟S0-3-3:將使用者前方[-90°，90°]的區(qū)域平分為6個(gè)角度部分，角度閾值取值點(diǎn)分別為：-60°,-30°,0°,30°,60°的位置，根據(jù)計(jì)算得到6個(gè)不同點(diǎn)的角度閾值σ值，確定鼓棒的敲擊方向，繼而確定對(duì)應(yīng)的發(fā)聲，并根據(jù)高度值確定镲和鼓的選擇。

本發(fā)明的有益效果是：使架子鼓音樂(lè)系統(tǒng)變成體積小、成本低的樂(lè)器，提供給架子鼓愛(ài)好者或者沒(méi)有足夠空間擺放真實(shí)架子鼓的場(chǎng)合。迎合架子鼓發(fā)展市場(chǎng)的需要。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

圖1是本發(fā)明一種智能架子鼓音效系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一種智能架子鼓音效實(shí)現(xiàn)方法的流程示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的軟件實(shí)現(xiàn)框圖。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)附圖，本發(fā)明一種智能架子鼓音效系統(tǒng)，其特征在于：包括裝于模擬鼓棒中的微處理器1、與微處理器1連接的傳感器2和氣壓計(jì)3，所述微處理器1通過(guò)藍(lán)牙4與上位機(jī)5連接，其中：

傳感器2和氣壓計(jì)3用于捕捉用戶(hù)使用鼓棒時(shí)的姿態(tài)變化數(shù)據(jù)；

微處理器1用于對(duì)采集的姿態(tài)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，整合兩個(gè)鼓棒數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；

藍(lán)牙4模塊用于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。

在本發(fā)明的實(shí)施例中：

所述微處理器1采用STM32微型處理器。所述傳感器2采用MPU6050九軸傳感器。具體地，本發(fā)明采用的是集STM32微型處理器和MPU6050九軸傳感器為一體的JY-901系列模塊。該模塊集成高精度的陀螺儀、加速度計(jì)、地磁場(chǎng)傳感器，采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法，能夠快速求解出模塊當(dāng)前的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài)。

所述氣壓計(jì)3采用MAS5611-01BA03氣壓計(jì)。MS5611-01BA03是由MEAS公司在瑞士分公司(原intersema廠(chǎng)家)設(shè)計(jì)并生產(chǎn)的高分辨率的測(cè)高傳感器，它提供SPI接口和I2C總線(xiàn)兩種接口。適合于高度測(cè)量和氣壓測(cè)量。該傳感器模塊包括一個(gè)高線(xiàn)性壓力傳感器和一個(gè)24位低功耗的AD轉(zhuǎn)換器，傳感器內(nèi)部包含有工廠(chǎng)校準(zhǔn)系數(shù)。它提供了一個(gè)精確的24位壓力和溫度值。該傳感器在測(cè)量氣壓的同時(shí)具有溫度測(cè)量的功能。可以連接到幾乎所有微控制器，通訊協(xié)議簡(jiǎn)單，不需要裝置內(nèi)部編程存儲(chǔ)器。小尺寸，便于集成應(yīng)用。

所述藍(lán)牙4是BLE低功耗藍(lán)牙4.0。

系統(tǒng)裝有開(kāi)關(guān)6，用于控制系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)停。

所述上位機(jī)是手機(jī)和可移動(dòng)電子音響設(shè)備。

本發(fā)明同時(shí)提供一種利用上述架子鼓音效系統(tǒng)的架子鼓音效實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟：

步驟S1，數(shù)據(jù)采集和處理：采集模擬鼓棒的X、Y、Z三軸的加速度、角度和高度值，并求出以下三個(gè)值：

a_z＝((A_zH＜＜8)|A_zL)/32768*16*g

其中a_z為Z軸加速度、A_Z為傳感器傳回的Z軸加速度值(16進(jìn)制)，H，L表示數(shù)據(jù)的高低位。g為重力加速度值；

Yaw＝((YawH＜＜8)|YawL)/32768*180(°)

其中：Yaw為偏航角；

H＝((H3＜＜24)|(H2＜＜16)|(H1＜＜8)|H0)(cm)

其中H為高度值，H3、H2、H1、H0為高度數(shù)據(jù)的高低位(32進(jìn)制)；

將Z軸加速度a_z，角度的3個(gè)方向值Y_awx,Y_awy,Y_awz以及高度H分別用q1,q2,q3,q4,q5表示，同時(shí)將第i時(shí)刻的動(dòng)作數(shù)據(jù)用向量表示，在一段連續(xù)的時(shí)間內(nèi)，若干個(gè)時(shí)間點(diǎn)的去Q_i列向量進(jìn)行組合形成時(shí)間-數(shù)據(jù)矩陣w[i][j](i<＝5,j為第j個(gè)時(shí)間點(diǎn))。于是，w[1][j]代表著第j個(gè)時(shí)間點(diǎn)的加速度值，w[2][j]代表著第j個(gè)時(shí)間點(diǎn)的x軸角度值，依次類(lèi)推；

步驟S2，進(jìn)行姿態(tài)分析：

判斷步驟S1所得的w[1][j]是否滿(mǎn)足條件：

w[1][j]<w[1][j-1]&&w[1][j]<w[1][j+1]&&w[1][j]<min

w[1][j]-min<D

其中D為識(shí)別判定中，新數(shù)據(jù)與波谷之間的差值需要滿(mǎn)足的閾值；min為識(shí)別判定中，波谷的最大限制閾值。

否則返回步驟S1；是則認(rèn)定該點(diǎn)為敲擊點(diǎn)，記錄數(shù)據(jù)j，并由此找出與j相對(duì)應(yīng)的角度Yaw和高度H；依次記錄為t1，t2，t3…，tm，以此確定敲擊方向和高度；

步驟S3,依據(jù)敲擊方向和高度執(zhí)行發(fā)聲函數(shù)，確定镲和鼓的發(fā)音選擇，返回步驟S1。

由于對(duì)不同使用者來(lái)說(shuō)，敲擊動(dòng)作的幅度、力度會(huì)不同，可選地，在步驟S1之前，針對(duì)不同的使用者對(duì)D，min兩個(gè)閾值的設(shè)定進(jìn)行確認(rèn)，

步驟S0-1,單次敲擊動(dòng)作閾值確認(rèn)：

使用者按照提示，用四肢分別控制相應(yīng)模塊單獨(dú)敲擊十次，在這個(gè)過(guò)程中，不斷地采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行濾波處理，確定每次敲擊過(guò)程中數(shù)據(jù)變化的波峰、波谷以及波谷變化到波峰所需要的時(shí)間，舍棄前三次的數(shù)據(jù)，根據(jù)剩下的數(shù)據(jù)做如下設(shè)定：

min＝剩余數(shù)據(jù)中波谷的最大值；

D＝min+(剩余數(shù)據(jù)每組的波峰與波谷的差值的平均值)*30％。

另外，由于在使用過(guò)程中，使用者在做連續(xù)敲擊的過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)第二次、第三次敲擊的幅度和力度明顯小于第一次的情況，這就會(huì)造成連續(xù)敲擊過(guò)程中會(huì)有識(shí)別不準(zhǔn)確的情況出現(xiàn)，針對(duì)此情況，可選地，針對(duì)同一使用者，進(jìn)行多次敲擊動(dòng)作閾值優(yōu)化。

步驟S0-2,多次敲擊動(dòng)作閾值優(yōu)化：

在步驟S0-1成功之后的0.1s至0.17s之內(nèi)判定另一次敲擊，該次敲擊所得的min和D進(jìn)行min*110％和D*90％的運(yùn)算，所得值作為新的相應(yīng)的min和D。

另外，為了確定敲擊方向角度值和鼓棒敲擊位置的關(guān)系，可選地，在執(zhí)行步驟S1之前，確定敲擊方向角度閾值，

步驟S0-3,確定敲擊方向角度閾值:

步驟S0-3-1:將鼓棒水平放置，在5秒時(shí)間內(nèi)保持不變，得到初始位置偏航角角度值μ，在使用過(guò)程中，根據(jù)用戶(hù)每次的敲擊動(dòng)作，得到敲擊點(diǎn)的偏航角角度值λ

步驟S0-3-2:計(jì)算得到差值σ＝λ-μ；

步驟S0-3-3:將使用者前方[-90°，90°]的區(qū)域平分為6個(gè)角度部分，角度閾值取值點(diǎn)分別為：-60°,-30°,0°,30°,60°的位置，根據(jù)計(jì)算得到6個(gè)不同點(diǎn)的角度閾值σ值，確定鼓棒的敲擊方向，繼而確定對(duì)應(yīng)的發(fā)聲，并根據(jù)高度值確定镲和鼓的選擇。