CN103837157A

CN103837157A - 一种运动测量方法及装置

Info

Publication number: CN103837157A
Application number: CN201410071450.XA
Authority: CN
Inventors: 向杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明提供了一种运动测量的方法及装置，所述方法包括：获得运动终端的加速度、陀螺仪、磁传感器测量值；获得运动终端相对载体坐标的三维重力加速度及方位角；获得相对载体坐标三维运动加速度；获得相对地球坐标的三维运动加速度；获得相对地球坐标的加速度、速度、位移及立体运动轨迹。本发明使用特定的流程计算方法，大幅减少了惯性运动姿态推算及后续计算中引入的各种误差，使得人体进行拳击、踢腿等体感动作及自然界中物体进行相类似动作时，增加一种全新、便捷、高效的测量方法与装置。

Description

一种运动测量方法及装置

技术领域

本发明涉及惯性导航领域及运动测量领域，非常适用于对秒级的短时快速运动类的测量描述。

背景技术

在当前的拳击体育运动中，目前尚无一种直接附加在拳击手或拳击手套上的，能够直接独立地测量拳击的加速度、速度、轨迹等参数的装置。

发明内容

本发明主要是利用MEMS传感器技术，结合本发明所述的流程方法，发明一种专门针对拳击类的短时快速的物体运动进行测量描述的装置。本发明使用计算机软件程序算法，在地球坐标的基础上分别对相互垂直正交的三个轴向的运动加速度进行积分，获得三维速度，再积分获得三维位移，连续的位移获得轨迹，在此基础上，获得总加速度、总速度，并进行相对于位移矢量方向上的投影换算，从而滤除掉非主运动方向之外的颤动干扰。本发明方法的装置，可以直接独立地测量，便携性非常好，且误差主要来自于传感器硬件，完全可以应用于生活中拳击训练类等要求不是非常高的日常物体运动测试描述中。

本发明所述方法有如下特点。.

本说明中的三维矢量值，是指描述该矢量的是有大小、有方向的三个向量值，体现在3D空间中为该矢量落在三个相互垂直正交轴上的有方向的投影值；

本说明中的总标量值，是指采用最小二乘法对相对应的三维矢量值进行计算出来的一个无方向总值，体现在3D空间中为该对应矢量的实际长度，所用最小二乘法公式如下：

A=(a_x ² ₊a_y ²+a_z ²)^{^0.5}

其中A为总标量值，a_x为落在X轴上投影值，a_y为落在Y轴上投影值，a_z为落在Z轴上投影值；

本说明中的姿态解算方法与角度推算方法，可以使用19世纪以来就开始广泛使用的四元数算法，也可以使用双欧法等等，但不局限于某一特定算法。

一种运动测量方法，包括以下步骤：

获得运动终端的加速度传感器、陀螺仪传感器、磁传感器的测量值；

根据相对载体坐标的三维重力加速度值、方位角及当前陀螺仪传感器三轴测量值，，获得更新的相对载体坐标的三维重力加速度值及方位角；

根据加速度传感器测量值及相对载体坐标的三维重力加速度值，获得相对载体坐标的三维运动加速度值，其方法为加速度传感器测量值各轴分别减去对应的三维重力加速度值各轴；

根据三维运动加速度值及系统运动调整参数，校正当前相对载体坐标的三维重力加速度值，其中当系统运动调整参数为启动初始化时，直接把三维重力加速度值赋值为加速度传感器测量值；当该参数为短时偏移时，根据陀螺仪硬件的标称误差大小，该误差通常包括最大零点漂移、线性度等，计算出三维重力加速度值的最大误差值，并作为限幅值，进而对三维重力加速度值往加速度传感器测量值方向进行限幅回归校正；当该参数为长时偏移时，即推算的三维重力加速度值长时间偏离加速度传感器测量值时，则判断为陀螺仪传感器曾经溢出，从而对推算的三维重力加速度值进行在加大倍数的限幅值上进行回归校正。

根据当前三维运动加速度值，计算获得当前运动终端的总运动加速度标量值。

根据三轴磁传感器测量值，校正方位角，使之接近相对地球北极的方向角。

根据相相对载体坐标的三维运动加速度值、对载体坐标的三维重力加速度值及方位角，获得当前时点相对地球空间的三维运动加速度矢量值。

采用先进先出法记录过去最近一段窗口时间周期内的相对地球空间三维运动加速度矢量值；

对窗口时间周期内的三维加速度进行积分，获得三维窗口速度矢量；

对窗口时间周期内的三维速度进行积分，获得三维窗口位移矢量；

计算获得窗口总速度标量值；

将窗口总速度标量值大小与预设阀值进行比较，获得包括静止在内的不少于两种状态指示的当前运动状态指示参数。

根据窗口总速度标量值大小及时长，获得调整后的系统运动调整参数，该参数取值包括启动初始化、短时偏移、长时偏移。

当运动状态指示参数为静止时，将三维窗口速度矢量赋值到三维速度矢量，将三维窗口位移矢量赋值到三维位移矢量；

当运动状态指示参数为非静止时，将相对地球空间的三维运动加速度矢量值积分到三维速度矢量，将三维速度矢量值积分到三维位移矢量。

计算三维运动加速度矢量在三维位移矢量方向轴上的正向投影值，获得总目标运动加速度值；计算三维运动速度矢量在三维位移矢量方向轴上的正向投影值，获得总目标运动速度值。该投影值计算方法适用于：要求计算运动物体离开静止时的位置的加速度及速度，对运动过程中的方向变化不敏感，即要求对运动过程中的弧形转弯产生的加速度、速度需要滤除掉的测量计算场合。

计算三维运动加速度矢量在三维窗口位移矢量方向轴上的正向投影值，获得总目标运动加速度值；计算三维运动速度矢量在三维窗口位移矢量方向轴上的正向投影值，获得总目标运动速度值。该投影值计算方法适用于：要求计算运动物体运动过程中的加速度与速度，包括弧形转弯产生的加速度、速度的测量计算场合。该方法中，窗口周期越短，对弧形转弯产生的加速度、速度越敏感。

根据三维位移矢量，获得总位移标量值。

当运动指示参数为非静止时，实时更新最大总目标运动加速度标量值、最大总目标运动速度标量值、最大总位移标量值；当运动指示参数由非静止转变为静止时，获得一个运动周期内的最大总目标运动加速度标量值、最大总目标运动速度标量值、最大总位移标量值。

对相对地球空间的三维运动加速度矢量值进行实时积分，获得长期三维运动速度；

对长期三维运动速度进行实时积分，获得长期三维运动位移；对长期三维运动速度进行低通滤波；对长期三维运动位移进行低通滤波。该方法因为没有静止与运动的状态之分，适用于记录物体的长期运动轨迹。

一种实施本发明方法的装置，包括加速度传感器、陀螺仪传感器、MCU数据处理器、2.2v～5.5v电池，数据显示输出模块。其中加速度传感器与陀螺仪传感器每个轴的安装位置均一一平行对应，其测量数据值被读到MCU数据处理器中，并且这两个传感器的。其中数据显示输出模块，用来将MCU中数据处理结果以字符、数字或图形的形式显示出来，或者用可听见的声音形式输出，或者提供输出到其它装置的物理接口。

该装置还可以包括三轴磁传感器，其三个轴与本发明装置的另外两个传感器的三个轴安装位置也一一平行对应，其磁传感测量数据被读到MCU数据处理器中，增加该传感器可以起到辅助计算方位角的作用。

附图说明

图1是本发明实施例相应的方法程序流程图。

图2是本发明实施例测量装置的主结构部件图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例，仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

图1是本发明实施例提供的一种拳击速度检测的方法流程图，如图1所示，所述方法包括：

步骤一：初始化。

该步骤包括把三维重力加速度值初值赋值为加速度传感器测量值，把方位角设置为0。

步骤二：获得加速度、陀螺仪、磁传感器测量值。

该步骤包括读取加速度传感器、陀螺仪传感器、磁传感器的测量值，其中每个传感器均包括三个互相垂直正交轴的测量值，并且每个传感器的均有一个轴与其它传感器的一个轴在空间上平行。

步骤三：获得相对载体坐标的三维重力加速度及方向角。

根据三维重力加速度值、陀螺仪传感器三轴测量值及方位角，本案中使用四元数算法，获得更新的三维重力加速度值及方位角，此时的三维重力加速度值为重力加速度在相对载体坐标上的三轴投影值，没有包含或很小包含运动加速度分量。磁传感器三轴测量值用来辅助校正方位角。

步骤四：获得相对载体坐标的三维运动加速度。

本步骤计算方法为三轴加速度传感器测量值减去对应的三维重力加速度值，即为滤除掉重力加速度分量的相对载体坐标的三维运动加速度。

步骤五：获得相对地球坐标的三维运动加速度。

因为通常物体运动时，方向会不断改变，所以必需要转换地面坐标才能对加速度进行有效的积分。该步骤操作方法为根据三维重力加速度值、方向角及相对载体坐标的三维运动加速度，本案中使用四元数算法，转换得到相对地球坐标的三维运动加速度。

步骤六：获得相对地球坐标的加速度、速度、位移及轨迹。

该步骤具体包括：

⑴ 采用先进先出法记录过去最近一段窗口时间周期内的相对地球空间三维运动加速度矢量值；对窗口时间周期内的三维加速度进行积分，获得三维窗口速度矢量；对窗口时间周期内的三维速度进行积分，获得三维窗口位移矢量；对三维窗口速度矢量，使用最小二乘法公式，计算获得窗口总速度标量值。

⑵将窗口总速度标量值大小与预设阀值进行比较，获得包括静止在内的不少于两种状态指示的当前运动状态指示参数；根据窗口总速度标量值大小及时长，获得调整后的系统运动调整参数，该参数取值包括启动初始化、短时偏移、长时偏移。

⑶当运动状态指示参数为静止时，将三维窗口速度矢量赋值到三维速度矢量，将三维窗口位移矢量赋值到三维位移矢量；当运动状态指示参数为非静止时，将相对地球空间的三维运动加速度矢量值积分到三维速度矢量，将三维速度矢量值积分到三维位移矢量；连续的三维位移矢量就构成了运动轨迹。

⑷参照最小二乘的计算方法，计算三维运动加速度矢量在三维位移矢量方向轴上的正向投影值，获得总目标运动加速度值；计算三维运动速度矢量在三维位移矢量方向轴上的正向投影值，获得总目标运动速度值。本方法获得的是拳头出击时的离开原来静止点的速度与加速度，完全滤除掉了通常拳击结束时的上下左右颤动，也滤除掉拳击结束时的巨大的反向拳击加速度；根据三维位移矢量，获得总位移标量值。

⑸当运动指示参数为非静止时，实时更新最大总目标运动加速度标量值、最大总目标运动速度标量值、最大总位移标量值；当运动指示参数由非静止转变为静止时，获得一个运动周期内的最大总目标运动加速度标量值、最大总目标运动速度标量值、最大总位移标量值。

图2是本发明实施例提供的一种拳击速度检测的装置构成图。

该装置包括加速度传感器、陀螺仪传感器、MCU数据处理器、电池、数据显示输出模块。其中加速度传感器与陀螺仪传感器的每个轴的安装位置均一一平行对应，其测量数据值被读到MCU数据处理器中；其中数据显示输出模块，用来将MCU中数据处理结果以字符、数字或图形的形式显示出来，或者用可听见的声音形式输出，或者提供输出到其它装置的物理接口；其中使用电池为3.7V锂聚合物微型电池，用来为其它各电子器件供电。

显然，惯性导航领域相关人员，都非常了解四元数算法、双欧算法，也就非常理解到上述的流程计算方法的实现完全没有问题，所述的硬件装置实现也更只是器件组配，实现起来也是没有问题的。该发明装置实例也完全可以应用到拳击检测中，直接独立地检测拳击速度、加速度等，满足目前拳击爱好者对拳击结果了解的需求。

以上结合附图对本发明的具体实施说明，不构成对本发明权利主张的限制。

Claims

1.一种运动测量方法，其特征为以下步骤：

获得运动终端的加速度传感器、陀螺仪传感器的测量值；

根据上一个时点的相对载体坐标的三维重力加速度值及方位角，以及三轴陀螺仪的当前时点测量值，获得当前时点的相对载体坐标的三维重力加速度值及方位角；

根据加速度传感器测量值及相对运动终端的三维重力加速度值，获得相对运动终端的三维运动加速度值；

根据三维运动加速度值及系统运动调整参数，校正当前相对运动终端的三维重力加速度值，其中当系统运动调整参数为启动初始化时，直接把三维重力加速度值赋值为加速度传感器测量值；

根据当前三维运动加速度值，计算获得当前运动终端的总运动加速度标量值；

将相对载体坐标的三维运动加速度值，根据当前相对载体坐标的三维重力加速度值及方位角，转换获得相对地球坐标的三维运动加速度矢量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

获得运动终端的三轴磁传感器的测量值；

校正当前时点的方位角。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

记录过去最近一段时间窗口周期内的相对地球空间的三维运动加速度矢量值；

对时间窗口周期内的三维加速度进行积分，获得三维窗口速度矢量；

对时间窗口周期内的三维速度进行积分，获得三维窗口位移矢量；

根据三维窗口速度矢量，计算获得窗口总速度标量值；

根据窗口总速度标量值大小，获得调整后的系统运动调整参数；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

当运动状态指示参数为非静止时，将相对地球空间的三维运动加速度矢量值积分到三维速度矢量值；

当运动状态指示参数为非静止时，对三维速度矢量进行积分，获得三维位移矢量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

计算三维运动加速度矢量在三维位移矢量方向轴上的正向投影值，获得总目标运动加速度值；

计算三维运动速度矢量在三维位移矢量方向轴上的正向投影值，获得总目标运动速度值；

根据三维位移矢量，获得总位移标量值。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

计算三维运动加速度矢量在三维窗口位移矢量方向轴上的正向投影值，获得总目标运动加速度值；

计算三维运动速度矢量在三维窗口位移矢量方向轴上的正向投影值，获得总目标运动速度值；

根据三维位移矢量，获得总位移标量值。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

当运动指示参数为非静止时，实时更新最大的总目标运动加速度标量值，从而获得运动周期内的最大的总目标运动加速度标量值；

当运动指示参数为非静止时，实时更新最大的总目标运动速度标量值，从而获得运动周期内的最大的总目标运动速度标量值；

当运动指示参数为非静止时，实时更新最大的总位移标量值，从而获得运动周期内的最大位移标量值。

8. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

对长期三维运动速度进行实时积分，获得长期三维运动位移；

对长期三维运动速度进行低通滤波；

对长期三维运动位移进行低通滤波。

9.一种实施权利要求1至8所述方法之一的装置，其特征在于，包括加速度传感器、陀螺仪传感器、MCU数据处理器、数据显示输出模块、2.2v～5.5v电池，其中加速度传感器与陀螺仪传感器每个轴的安装位置均一一平行对应，其测量数据值被读到MCU数据处理器中，其中数据显示输出模块，用来将MCU中数据处理结果以字符、数字或图形的形式显示出来，或者用可听见的声音形式输出，或者提供输出到其它装置的物理接口。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括三轴磁传感器，其中磁传感测量数据被读到MCU数据处理器中。