CN101886927B - 基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量定位技术领域，尤其涉及一种基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪系统和方法。本发明使用了惯性传感器和地磁传感器相结合的方式来进行运动跟踪，利用重力加速度和地磁线构建了稳定的校正基准，进而得到精确地物体实时姿态，并通过实时姿态剔除重力加速度对加速度传感器输出信号的干扰，得到物体精确地运动加速度数据用于运算获取物体位置信息。通过对传感器数据的运算处理和对误差更为精确地修正，实现了在三维空间中的物体定位跟踪，并且具有更高的跟踪精度，推广应用的范围更为广阔。

Description

基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪系统与方法

技术领域

本发明涉及测量定位技术领域，尤其涉及一种基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪系统和实现三维运动跟踪的方法。

背景技术

为了实现用户对计算机更为精确地直接控制，必须通过技术手段实现对人体动作的准确判别，其技术基础可以简化为对人体某一点精确的三维运动跟踪。目前实现三维运动的技术跟踪的技术主要有以下几种：

①机械式运动跟踪

机械式运动跟踪依靠预先设计好的机械装置来跟踪和测量运动轨迹。这种技术的优势在于成本比较低，跟踪的精度也比较高，能够做到实时测量。但是它的缺点也非常明显，就是被跟踪物体由于和机械装置直接连接，其运动受机械结构的阻碍和限制很大，如果应用于体感操控的话，会极大地影响操作者的舒适感。因此，这种技术目前主要的应用在于静态造型捕捉和运动中关键帧的确定。

②电磁式运动跟踪

电磁式运动跟踪系统一般有发射源、接受传感器以及数据处理单元组成。发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器安置在运动物体的关键位置上，随着运动物体在电磁场中运动，通过电缆或无线方式与数据处理单元相连，接收传感器将接收到的信号通过电缆传送给处理单元，根据这些信号可以解算出每个传感器的空间位置和方向。

③视频动作捕捉技术

视频运动捕捉基于计算机图形学原理，通过排布在空间中的数个视频捕捉设备将运动物体(跟踪器)的运动状况以图像的形式记录下来，然后使用计算机对该图象数据进行处理，得到不同时间计量单位上不同物体(跟踪器)的空间坐标(X，Y，Z)。视频运动捕捉利用不同角度的摄影机产生的同一时刻运动物体(跟踪器)的若干视频图像对运动物体(跟踪器)进行三维重建，能够保证较高的跟踪精度，但是由于这种方法需要部署一定数量的高速摄影机矩阵，并且对安装精度的要求也很高，因此应用成本非常昂贵，且由于部署需要的空间较大，很难大规模应用于人机交互、视频游戏等领域。

④利用运动传感器进行运动跟踪

这种运动跟踪技术的基本思想是：运动物体在三维空间运动过程中，通过加速度计等运动测量传感器，实时测量运动物体的加速度等运动数据。对加速度积分能够得到物体运动的速度，再对速度积分可得到物体的位移。通过对运动物体三个坐标轴上加速度分量的测量与数据处理，理论上可以得到运动物体在三个坐标轴上的位移值。实时的取得运动物体在三维空间中的位移值即可实现对该物体的运动跟踪。这种技术的主要问题在于测量速度和加速度的传感器都属于惯性传感器，而惯性传感器一个不可避免的缺点就是存在累积误差，并且传感器工作过程中产生的系统误差被积分运算放大后也会影响最终的跟踪结果，导致跟踪精度较差，甚至不可用。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪系统及其实现三维运动跟踪的方法，以实现在较低成本条件下，通过内置传感器的方式来实现具有良好跟踪精度的运动跟踪。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪系统：

传感器单元，包含加速度传感器、角速度传感器和地磁传感器，所述加速度传感器负责采集加速度，所述角速度传感器负责采集角速度，所述地磁传感器负责采集地磁信号；

A/D转换器，负责将上述传感器单元采集的模拟信号转换为数字量；

无线数据传输单元，负责将加速度、角速度和地磁的数字量通过无线的方式发送给上位机；

微处理器，负责驱动和协调A/D转换器和无线数据传输单元；

电源模块，负责给硬件各部分供电；

上位机，负责对传感器的数字量信号进行分析处理，得到三维运动跟踪结果。

一种基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪方法：

①将传感器数据按照帧率确定的时间间隔将该时间间隔内的所有传感器数据打包为一个数据包；

②对数据包内的数据进行数字滤波，提高时间序列上的数据平滑度；

③判断物体当前是否处于稳定静止状态，如果处于稳定静止状态，则进入步骤④，否则进入步骤⑤；

④修正校准步骤，利用加速度传感器的数据确定当前重力加速度的指向，利用地磁传感器的数据确定地球磁力线的指向，再利用相互近似垂直的重力加速度和地磁线构建一个和运动物体当前空间姿态无关的稳定的校准坐标系，利用此校准坐标系修正校准当前物体的空间姿态，返回步骤①；

⑤数据映射处理，用前一个数据包确定的物体空间姿态量确定一个坐标系变换矩阵，利用此变换矩阵与传感器数据相乘的方式将传感器数据从载体坐标系映射到空间坐标系；

⑥剔除重力加速度，将步骤⑤得到的空间坐标系下的加速度数据与重力加速度作矢量和，剔除加速度数据中重力加速度的影响，得到反应物体运动的运动加速度数据；

⑦数据积分运算，对步骤⑥得到的空间坐标系下的运动加速度数据进行二次积分运算分别得到物体的运动速度和位移；对空间坐标系下的角速度数据进行一次积分运算得到姿态转动量，进而得到物体当前空间姿态；

⑧跟踪结果输出，返回步骤①。

所述步骤①中，每个数据包内包含至少10组以上的传感器数据，每组传感器数据包含各个传感器敏感轴上的采样值各一个，选择的帧率大于25。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、利用自主性高的惯性传感器和地磁传感器作为数据来源，跟踪定位不需要外部硬件环境的构建，应用更为灵活；

2、惯性传感器和地磁传感器成本较低，降低了大规模部署的费用；

3、利用无线数据传输，使得操作者的动作不受机械装置或连线的妨碍，操作舒适感大为增加；

4、利用地磁线和重力构建了一个稳定的参考修正基准，跟踪精度大为提高。

附图说明

图1是本发明提供的基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪系统的传感器配置示意图。

图2是本发明提供的基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪系统的硬件电路框图。

图3是本发明提供的基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪方法的处理流程图。

具体实施方式

三维运动跟踪是计算机体感操控技术的一个重要组成部分，如果跟踪效果不好的话就无法正确识别用户的动作指令，导致对计算机操控的失败。现有的运动跟踪技术或者应用成本高，或者跟踪精度不理想。本发明提供的三维运动跟踪系统，是利用加速度传感器、角速度传感器和地磁传感器来进行三维空间中物体运动跟踪。

为了便于理解本发明，首先对本发明的原理进行详细描述：

以运动物体或待跟踪的位置为基点建立一个固连在运动物体上的载体坐标系，在运动物体上沿着载体坐标系的三个坐标轴向上分别设置三个加速度传感器、三个角速度传感器和三个地磁传感器。如图1所示，图中立方体，圆柱体和球体分别表示加速度传感器、角速度传感器和地磁传感器。配置在载体坐标系下的传感器测量到的数据也是基于载体坐标系的，加速度传感器获取物体三个坐标轴上的实时加速度，角速度传感器获取三个轴上的实时转动速度，地磁传感器获取三个轴上的地磁分量。

理论上，通过对加速度进行两次积分可以获得物体运动的速度和位移，对角速度的积分可以获得物体转动的姿态变化。但是由于传感器获取的数据是基于载体坐标系的，而运动跟踪所确定的位移量是基于空间坐标系的。因此，需要将载体坐标系下的数据映射到空间坐标系下之后，才能进行相应的积分运算。同时由于在运动过程中加速度传感器获取的数据实际上是重力加速度与运动加速度的共同作用，也需要将载体坐标系下的加速度数据映射到空间坐标系下来剔除重力加速度的影响，得到可用于积分的运动加速度。而这种映射所需要的变换矩阵则是由运动物体的实时姿态确定的。但是由于加速度传感器的系统误差和累积误差的存在，使得单独依靠角速度传感器确定的物体姿态误差较大，进而由其确定的变换矩阵就会将这种误差放大后加到加速度数据的映射结果上，对这样映射后的加速度数据进行二次积分运算又会再次将误差进一步放大，使得跟踪结果会变得非常差。

从上述过程中可以看出，要保证跟踪结果的精度，最重要的就是保证物体实时姿态的精确，这样才能提供正确的变换矩阵。这就需要对物体的姿态进行经常性的误差修正与校准。

本发明采用了加速度传感器结合地磁传感器的方式对物体的实时姿态进行误差修正和校准。校准的基本思路是利用物体运动过程中时常会出现的短暂静止状态，在这种短暂静止状态下，加速度传感器的数据反映的是重力加速度在载体坐标系三个轴上的分量，通过这三个分量可以确定重力在载体坐标系中的方向；地磁传感器数据反映的是地磁场在载体坐标系三个坐标轴上的分量，通过这些分量可以确定地磁线在载体坐标系下的方向。由于重力和地磁线相互近似垂直，进而可以构成了一个与传感器无关的校准坐标系。因此通过短暂静止状态下的加速度传感器数据和地磁传感器数据就可以确定载体坐标系相对于校准坐标系的精确姿态，通过这个精确地姿态量就可以确定准确的变换矩阵，进而可以得到精度较高的跟踪结果。

本发明提供的基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪系统，包括下列部分：

传感器单元，包含加速度传感器、角速度传感器和地磁传感器，上述传感器分别负责采集加速度、角速度和地磁等信号；

A/D转换器，负责将传感器单元采集的模拟信号转换为数字量；

无线数据传输单元，负责将加速度、角速度和地磁的数字量通过无线的方式发送给上位机；

微处理器，负责驱动和协调A/D转换器和无线数据传输单元；

电源模块，负责给硬件各部分供电；

上位机，负责对传感器的数字量信号进行分析处理，即按照本发明提供的基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪方法对传感器数据进行分析处理，得到三维运动跟踪结果。

系统的结构框图如附图2所示。

本发明提供的基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪方法，主要是指对惯性传感器和地磁传感器的数据处理的方法，包括下列步骤：

1.将传感器数据按照特定的帧率打包成数据包，即按照帧率确定的时间间隔将该时间间隔内的所有传感器数据打包为一个数据包。为了保证数据包内的数据量满足运算结果科学性的统计学要求，每个数据包内应包含至少10组以上的传感器数据(每组传感器数据包含各个传感器敏感轴上的采样值各一个)；为了保证跟踪结果的平滑连续，选择的帧率应大于25；

2.对数据包内的数据进行数字滤波，提高时间序列上的数据平滑度；

3.判断物体当前是否处于稳定静止状态，如果处于稳定静止状态，则进入步骤4，否则进入步骤5；

4.修正校准步骤，利用加速度传感器的数据确定当前重力加速度的指向，利用地磁传感器的数据确定地球磁力线的指向，再利用相互近似垂直的重力加速度和地磁线构建一个和运动物体当前空间姿态无关的稳定的校准坐标系，利用此校准坐标系修正校准当前物体的空间姿态。返回步骤1；

5.数据映射处理，用前一个数据包确定的物体空间姿态量确定一个坐标系变换矩阵，利用此变换矩阵与传感器数据相乘的方式将传感器数据从载体坐标系映射到空间坐标系。由于利用空间姿态确定坐标系变换矩阵的推导过程属于计算机图形学中的公知技术，在此不予赘述。

6.剔除重力加速度，将步骤5得到的空间坐标系下的加速度数据与重力加速度作矢量和，剔除加速度数据中重力加速度的影响，得到反应物体运动的运动加速度数据。

7.数据积分运算，对步骤6得到的空间坐标系下的运动加速度数据进行二次积分运算分别得到物体的运动速度和位移；对空间坐标系下的角速度数据进行一次积分运算得到姿态转动量，进而得到物体当前空间姿态。

8.跟踪结果输出，返回步骤1。

三维运动跟踪方法的步骤流程如附图3所示。

上述实例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：

①将传感器数据按照帧率确定的时间间隔将该时间间隔内的所有传感器数据打包为一个数据包；

②对数据包内的数据进行数字滤波，提高时间序列上的数据平滑度；

③判断物体当前是否处于稳定静止状态，如果处于稳定静止状态，则进入步骤④，否则进入步骤⑤；

④修正校准步骤，利用加速度传感器的数据确定当前重力加速度的指向，利用地磁传感器的数据确定地球磁力线的指向，再利用相互近似垂直的重力加速度和地磁线构建一个和运动物体当前空间姿态无关的稳定的校准坐标系，利用此校准坐标系修正校准当前物体的空间姿态，返回步骤①；

⑤数据映射处理，用前一个数据包确定的物体空间姿态量确定一个坐标系变换矩阵，利用此变换矩阵与传感器数据相乘的方式将传感器数据从载体坐标系映射到空间坐标系；

⑥剔除重力加速度，传感器获取的数据是基于载体坐标系的，而运动跟踪所确定的位移量是基于空间坐标系，将步骤⑤得到的空间坐标系下的加速度数据与重力加速度作矢量和，剔除加速度数据中重力加速度的影响，得到反应物体运动的运动加速度数据；在运动过程中加速度传感器获取的数据是重力加速度与运动加速度的共同作用；

⑦数据积分运算，对步骤⑥得到的空间坐标系下的运动加速度数据进行二次积分运算分别得到物体的运动速度和位移；对空间坐标系下的角速度数据进行一次积分运算得到姿态转动量，进而得到物体当前空间姿态；

⑧跟踪结果输出，返回步骤①。

2.根据权利要求2所述的基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪方法，其特征在于：

所述步骤①中，每个数据包内包含至少10组以上的传感器数据，每组传感器数据包含各个传感器敏感轴上的采样值各一个，选择的帧率大于25。

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