CN106052675A - 人体运动与姿态监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对在运动平台上或地面上进行作业活动的人体或假人的多个部位的位置变化和姿态变化进行监测的技术，其特征在于：监测装置由一个主机、多个采集模块和一台计算机构成，主机为采集模块供电并提供统一的采集同步信号，采集模块同步记录人体多个部位的加速度、角速度和地磁数据，监测结束后由计算机对数据进行解算处理；解算处理包含截取数据段、异常数据修正、判定解算初始时刻、确定地面坐标系和平台坐标系、计算初始时刻坐标转换矩阵、按时间正向或反向积分迭代计算任意时刻转换矩阵、计算相对位移和姿态角一系列步骤，最终获取人体各部位的相对位移和姿态角变化数据。

Description

人体运动与姿态监测装置和方法

所属技术领域

本发明涉及一种对在运动平台上或地面上进行作业活动的人体或假人的多个部位的位置和姿态数据进行监测的技术，可用于飞机弹射起飞和阻拦降落时的人体运动与姿态监测、汽车制动和相撞时的人体运动与姿态监测、机械臂运动与姿态监测等领域。

背景技术

在很多领域需要监测人体运动与姿态，如日常的计步器、人体跌倒报警、体育运动动作分析、飞机弹射起飞和阻拦降落、汽车操作与碰撞，甚至动画制作等。对不同的应用，都有其特有的需求和限制。

人体运动与姿态监测有多种方法，有的方法可以监测人体运动，有的方法可以监测人体姿态，有的既可以监测运动，又可以监测姿态，主要包括机械测量监测法、光学测量监测法和惯性测量监测法。机械测量监测法依靠佩戴于人体的测量机构，将人体被测量部位的姿态变为转动角度，进行测量，如公布号CN 103750843 A就给出了一种这样的监测方法。光学测量监测法依靠光学摄影装置，获得被监测人体的图像，通过计算机对图像的分析解算获得人体的姿态数据，为了提高识别效率有时要求人体佩戴光标志物，如公布号CN104063677 A就给出了一种这样的监测方法。惯性测量监测法依靠佩戴于人体被测部位的惯性测量装置，获得人体的加速度、角速度以及地磁数据，通过解算方法，获得人体的运动和姿态数据，如公布号CN 104461013 A就给出了一种这样的监测方法。随着MEMS技术的发展，惯性传感器体积更小、质量更轻、功耗更低，使得采用MEMS惯性传感器的人体运动和姿态监测装置制作得更加小巧，正得到越来越广泛的应用。

目前，已经出现了许多采用惯性测量技术进行人体运动与姿态监测的技术方案。下面是几个采用惯性测量方法的人体运动与姿态监测技术方案：Xsens公司、Trivisio公司的人体跟踪监测产品，采用了惯性测量技术，可使用多个采集模块，通过无线信号同步采集和发送人体运动和姿态信号，可以实现对在地面上运动的人体的跟踪监测，获得人体运动过程的位置和姿态变化，采集速率为100Hz，在娱乐、体育和医疗方面都有应用。公布号CN104461013 A给出了一种基于惯性传感单元的人体动作监测方法，通过WIFI路由器同步17个固定于人体各部位的九轴惯性传感单元，分别获取加速度信号、角速度信号和地磁信号，由微控制器将三种信号融合得到姿态角、四元数及欧拉角等姿态信息数据，再通过WIFI路由器发送给使用者，WIFI信号同时担负采集同步和采集数据实时传送，采集的点越多，传送数据通道越拥挤，不能既满足高采样率又满足多采集点的双重要求，WIFI的时间同步精度也受到限制。公布号CN 103961109 A给出了一种基于加速度信号和角速度信号的人体姿态检测装置，采用两个传感器节点的佩戴方式，采集人体姿态变化过程中的加速度和角速度信息，通过对信息的计算能够识别静态姿态一站、坐、躺和动态姿态一走、跑、上楼梯、下楼梯，并不能计算获得身体各部分的位移和姿态数据。

上述这些现有技术可以解决在地面上的人体运动与姿态监测问题，满足了步态监测、人体姿态跟踪、计步、判断人体状态等需要。但对于在运动平台上的人体运动与姿态监测问题没有解决方案，对飞机阻拦降落、弹射起飞，车辆紧急制动、碰撞等运动平台上的人体姿态急速变化的情况也无法使用。在这些情况下对人体运动与姿态进行监测，可以分析在这些特定工作状态下的人体运动和姿态变化过程，进而分析人体动力学响应，解决这些特殊工况下的人机功效问题，评价其对人体可能产生的各种影响，为相关平台和设备的设计、人员训练等提供技术支撑，具有非常重要的实际意义。虽然在这些特殊情况下可以采用光学测量监测法，但需要在运动平台的人体周围安装不少光学测量设备，这些安装和改动不但很麻烦，而且在一些情况下是很难获得允许的。因此，针对运动平台上的人体运动和姿态监测问题，解决飞机、车辆、船舶等运动平台上的特殊工况下人体动力学响应监测，提出一套基于惯性测量监测技术的方案，是很有价值和意义的。

为了能够使惯性测量技术应用于这些场合，必须解决如下一些重要问题：①运动平台有电磁环境要求，如飞机上不允许人体监测设备使用无线通信方式。②人体在急速运动时的运动参数和姿态参数变化很快，人体各部位的惯性测量单元必须具有高采样率，才能确保采集数据的可靠和真实。③人体各部位的惯性测量单元必须准确地同步进行采集，否则不同时刻人体运动和姿态数据混淆将导致惯性解算的错误。④对人体进行长时间监测时，惯性测量的漂移很大，通常的惯性测量初始对准方法不能使用，必须通过有效的技术手段解决。⑤惯性采集模块需穿戴于人体，各采集模块的体积和重量必须轻巧，以免影响人体作业，必须在结构构成上减轻重量，减小体积。⑥与在地面上的惯性解算方法完全不同，必须提出适合人体相对于运动平台的惯性解算方法。这几个问题是相互关联的，必须系统地解决。

从运动和姿态测量角度看，人体可以看成由多个肢体、头部和躯体这些运动部分构成，通过活动机构结合在一起，这些部分的位置参数和角度参数就构成了整个人体的运动和姿态。因此，测量获得各部位的角度信息和位移信息就可以确定整个人体的运动和姿态。

发明内容

本发明针对运动平台上人体运动和姿态监测所面临的技术问题，在现有惯性测量相关技术的基础上，提出了一种穿戴式的可用于运动平台和地面平台的人体运动与姿态监测的装置和方法。

本发明的技术思想：①提出了运动平台上人体运动与姿态监测的特殊需求，梳理出需要解决的技术难题。②提出了多个采集模块与主机的结构方案，确定了采集模块和主机的功能、相互关系和连接方式。③提出了满足精确同步多个采集模块、实现高速采集、长时间工作、体积小重量轻、便于采集模块扩展等多种要求的技术解决方案，实现了穿戴式监测。④提出了能够在长时间惯性测量漂移情况下解决惯性测量初始对准的技术方案，实现了对人体运动和姿态的分段解算。⑤提出了适用于运动平台上人体运动与姿态监测的惯性测量解算方法，实现了通过对多个采集模块加速度、角速度、地磁信号数据解算获取人体各部分相对于运动平台和相互之间运动和姿态数据。

本发明的技术方案：人体运动与姿态监测装置和方法，是以惯性测量器件、计算机和数控器件为核心，以惯性空间变换和动力学算法为关键点，获取人体运动和姿态信息的装置和方法。

监测装置由一个主机、多个采集模块和一台计算机构成，数据处理方法包括人体运动和姿态数据采集方法和数据解算处理方法。

主机由数控器件、电池、电源稳压器件、按钮、指示灯和接口构成。数控器件控制主机各部分的工作，电池为主机和采集模块供电，电源稳压器件保持主机和采集模块工作电压的稳定，按钮提供主机功能选择，指示灯显示主机工作状态；一个接口包含供电线路和同步信号线路，在监测时连接主机与各采集模块，用于主机为各采集模块供电和提供采集同步信号；另一个接用连接主机与计算机，在装置用于人体运动和姿态监测前，由计算机完成对主机同步采样率的设置；两个接口也可以合并为一个，在与计算机连接和与采集模块连接时采用不同的连接线缆，分别实现两个接口的功能。数控器件为单片机、DSP器件或FPGA器件。同步信号线路可以为一根传输脉冲信号的线路，通过脉冲前沿或后沿为各采集模块提供采集同步；也可以为两根线路构成的CAN总线或485总线，通过传送特定数据包为各采集模块提供采集同步信号。

采集模块有多个，各采集模块的构成完全相同，包括数控器件、MEMS惯性测量器件、非易失性存储器件、按钮、指示灯和接口；数控器件控制采集模块各部分的工作，MEMS惯性测量器件获取采集模块所在位置的加速度、角速度和地磁数据，非易失性存储器件在数控器件的控制下按照时间顺序储存MEMS惯性测量器件获取的加速度、角速度、地磁数据和时间标志；时间标志数据按照时间顺序编码，当个别数据段出现存储错误时，提供分段数据对准；加速度、角速度、地磁数据按照时间顺序存储在各时间标志之间。一个外接口包括供电线路和同步信号线路，用于各采集模块与主机的连接，当采集模块用于人体运动和姿态监测时，各采集模块通过该接口接受主机的供电和采集同步信号；另一个接口用于采集模块与计算机，在装置用于人体运动和姿态监测前，由计算机设置采集模块的编号和时间标志间隔，在装置用于人体运动和姿态监测后，由计算机读取各采集模块获取的按照时间标志顺序储存的人体加速度、角速度、地磁数据和时间标志；两个接口也可以合并为一个，在与计算机连接和与主机连接时采用不同的连接线缆，分别实现两个接口的功能。MEMS惯性测量器件为可以测量三个方向的加速度、三个方向的角速度和三个方向的地磁的九轴MEMS惯性测量芯片，或分别由可以测量三个方向加速度的MEMS惯性测量芯片、可以测量三个方向角速度的MEMS惯性测量芯片和可以测量三个方向地磁的芯片构成；加速度、角速度、地磁的三个测量轴采用同一个坐标系，称为采集模块坐标系，该坐标系是满足右手法则的正交坐标系，其原点为采集模块的中心，各轴为采集模块惯性测量器件的测量轴，该坐标系标示于各采集模块的外壳上。时间标志间隔应为采样频率的整数倍，设置范围为数秒，时间标志间隔越小，对提高采集数据存储的可靠性越好，同时存储器存储空间的有效利用率越低。

计算机作为人体运动与姿态监测的数据分析设备，通过计算所具备的接口，分别与主机和采集模块连接，对主机和采集模块进行工作参数设置，读取采集模块采集获得的反映人体运动和姿态的加速度、角速度和地磁数据，按照数据人体运动和姿态数据采集方法和数据解算处理方法，计算获得人体在一个特定时间段的加速度、速度、位移和角速度、角度数据。主机的工作参数为同步采样率，采集模块的工作参数设置为采集模块的编号和时间标志间隔。

人体运动和姿态数据采集方法包括如下步骤：根据人体运动和姿态监测需要，确定要监测的人体部位和监测点；依据人体部位监测点数量确定使用的采集模块的数量n；根据采集需要设定主机的同步采样率，设定采集模块编号和时间标志间隔，采样模块的编号设置范围为0～n；将0号采集模块固定于人体所在运动平台上，若人体所在平台为地面或建筑物面，可以将人体靠近地面或建筑物面的一个采集模块编为0号采集模块；其他编号采集模块分别固定于人体各部位的监测点，主机固定于人体腰部或固定于不影响人体作业动作的人体所在平台上；将各采集模块的接口与主机接口通过电缆线连接；使人体所在运动平台相对于地面处于静止状态，人体保持特定初始姿态，测量安装好的各采集模块中心相对于0号采集模块中心的位置数据，并依次将采集模块标号、人体部位、相对于0号模块的中心的位置偏移数据输入计算机；按下主机和采集模块的相关按钮，启动主机和各采集模块工作，开始采集各模块所在位置的加速度、角速度、地磁数据，并按照时间标志顺序，一并存储在各采集模块的非易失性存储器件中，形成采集数据序列；采集过程中，人体在平台上开始进行各种操作动作，直至完成全部作业过程；人体在进行每个需要分析的作业动作前后，应有一段时间使人体姿态恢复到开始时的特定初始姿势，并保持人体所在平台相对于地面不做加速运动，该段时间的长短与采集频率相关，对于1000Hz的采集频率，该段时间一般应大于0.1秒；整个作业过程结束后，按下主机和采集模块的相关按钮，停止主机和各采集模块工作，取下各采集模块和主机，通过接口连接各采集模块和计算机，由计算机读取各采集模块的非易失性存储器件中的代表人体运动和姿态的原始数据；

采集数据序列包括按照设定的时间标志间隔记录的时间标志数据和采集模块的加速度、角速度、地磁数据；时间标志数据按照时间顺序编码，当个别数据段出现存储错误时，提供分段数据对准，避免全部数据无法使用；加速度、角速度、地磁数据按照时间顺序存储。

采集模块坐标系在人体运动过程中随该采集模块固定处运动，采集模块坐标系的位置和方向的变化代表了该模块所处位置的运动和姿态的变化；第i号采集模块在j时刻(采集数据的时间顺序号)的采集模块坐标系表示为O(i，j)X(i，j)Y(i，j)Z(i，j)，O(i，j)为第i号采集模块中心在j时刻的位置点，为坐标系的原点，O(i，j)X(i，j)、O(i，j)Y(i，j)、O(i，j)Z(i，j)为第i号采集模块在j时刻的三个惯性测量轴的方向，与标示于采集模块上的标识方向一致。

采集模块中存储的人体运动和姿态数据包括：a(i，j)_x、a(i，j)_y、a(i，j)_z，分别为第i个采集模块在j时刻的相对于惯性坐标系的加速度在该采集模块坐标系O(i，j)X(i，j)Y(i，j)Z(i，j)的O(i，j)X(i，j)、O(i，j)Y(i，j)、O(i，j)Z(i，j)方向上的分量；ω(i，j)_x、ω(i，j)_y、ω(i，j)_z，分别为第i个采集模块在j时刻的相对于惯性坐标系的角速度在该采集模块坐标系O(i，j)X(i，j)Y(i，j)Z(i，j)的O(i，j)X(i，j)、O(i，j)Y(i，j)、O(i，j)Z(i，j)方向上的分量；m(i，j)_x、m(i，j)_y、m(i，j)_z，分别为第i个采集模块在j时刻的磁场在该采集模块坐标系O(i，j)X(i，j)Y(i，j)Z(i，j)的O(i，j)X(i，j)、O(i，j)Y(i，j)、O(i，j)Z(i，j)方向上的分量。

人体运动和姿态数据解算处理由计算机完成，其方法包括如下步骤：确定需要解算的人体作业动作；从读取的各采集模块的采集数据序列中，按照时间标志，截取包含人体作业动作的时间间隔内的所有加速度、角速度和磁场数据；对截取的数据进行异常数据修正；确定非加速运动判定值p₀；确定数据解算初始时刻k；确定地面坐标系和平台坐标系；计算k时刻地面坐标系在各采集模块坐标系各轴的投影；计算k时刻由地面坐标系向采集模块坐标系进行坐标变换的转换矩阵；计算k时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵；计算由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵；计算k时刻各采集模块中心相对于平台坐标系的运动；计算各采集模块中心相对于平台坐标系的运动；计算各采集模块坐标系相对于平台坐标系的姿态角。各采集模块坐标系相对于平台坐标系的姿态角包括航向角、俯仰角和倾斜角。

人体运动和姿态数据解算处理的算法如下：

(a)截取数据段：根据需要解算的人体作业动作，确定人体运动与姿态数据的起始时刻k₁和终止时刻k₂，通过时间标志对比，确认该时间段内的数据记录完整，截取各采集模块处于k1～k2时刻之间的采集数据序列，得到该段时间内的加速度、角速度和磁场强度数据：

a(i，j)_x、a(i，j)_y、a(i，j)_z 0≤i≤n，k₁≤j≤k₂

ω(i，j)_x、ω(i，j)_y、ω(i，j)_z 0≤i≤n，k₁≤j≤k₂

m(i，j)_x、m(i，j)_y、m(i，j)_z 0≤i≤n，k₁≤j≤k₂；

(b)对截取的数据进行异常数据修正：

对截取的数据进行平滑滤波，平滑滤波的阶数根据人体和人体所在平台的加速度变化确定，加速度变化越剧烈，平滑滤波阶数越低，反之就越高；

平滑滤波后的数据为：

a_p(i，j)_x、a_p(i，j)_y、a_p(i，j)_z 0≤i≤n，k₁≤j≤k₂

ω_p(i，j)_x、ω_p(i，j)_y、ω_p(i，j)_z 0≤i≤n，k₁≤j≤k₂

m_p(i，j)_x、m_p(i，j)_y、m_p(i，j)_z 0≤i≤n，k₁≤j≤k₂；

将i，j对应的截取的数据与滤波后的数据进行比较，如果两者差的绝对值大于某门限值，则剔除该截取的数据值，用该时刻前后的插值替换之；

门限值的大小根据被监测的人体所在平台和人体的加速度变化确定，加速度变化越剧烈，门限值越大，反之就越小；

(c)确定非加速运动判定值p₀：

用p₀值判定人体及人体所在平台的运动情况，p₀越小说明人体及人体所在平台的加速度越小，相对于地面更接近于匀速运动，人体及人体所在平台的匀速运动的时刻即为人体运动和姿态数据解算处理的初始时刻；p₀根据所监测对象的运动特点确定，为了获得较高的解算精度，应尽可能取较小的p₀值，一般可取p₀为0.1，在解算过程中再逐步调整；

(d)确定数据解算初始时刻k：

按照公式(1)计算人体所在平台和人体各部位的加速度幅值与重力加速度的偏离比p(i，j)；

$p(i,j)=\frac{|\sqrt{a{{(i,j)}_x}^2+a{{(i,j)}_y}^2+a{{(i,j)}_z}^2}-g|}{g},\begin{array}{c}0\≤i\≤n\\ k_1\≤j\≤k_2\end{array}---\left(1\right)$

公式(1)中的g为当地的重力加速度值；

在(k₁≤j≤k₂)范围内，寻找对所有的i，均满足p(i，k)≤p₀的时刻k，则该时刻k即可作为初始参考时刻；如果不存在这样的时刻k，则需减小k₁，增大k₂，再次寻找相应的时刻k；如果通过调整k₁、k₂的值仍无法找到符合条件的k，则适当增大p₀值，直至找到符合条件的k；

(e)确定地面坐标系和平台坐标系：

地面坐标系定义为ONEG，O是k时刻0号采集模块中心所处的位置点，作为地面坐标系的原点；OG由原点O发出，指向为重力方向；OE由原点出发，指向垂直于重力和地磁指向构成的平面；ON垂直于OE和OG构成的平面，符合坐标系的右手法则；地面参考坐标系ONEG在数秒至数十秒的时间段内可视为惯性坐标系，k时刻各采集模块所处的位置、重力和地磁方向决定了地面坐标系的位置和方向，在人体运动和姿态数据解算处理过程中，地面坐标系保持不变；

平台坐标系定义为O(0，k)X(0，k)Y(0，k)Z(0，k)，O(0，k)为k时刻0号采集模块的中心，O(0，k)X(0，k)、O(0，k)Y(0，k)、O(0，k)Z(0，k)为0号采集模块在k时刻的三个测量轴向，构成符合右手法则的坐标系；平台坐标系就是k时刻的0号采集模块的采集模块坐标系，平台坐标系确定后保持不变，平台坐标系相对于地面坐标系保持固定的位置和姿态；

(f)计算k时刻地面坐标系在各采集模块坐标系各轴的投影：

按照公式(2)、(3)、(4)计算地面坐标系ONEG的OE轴矢量在i号采集模块的O(i，k)X(i，k)、O(i，k)Y(i，k)、O(i，k)Z(i，k)轴的投影；

$\begin{array}{c}{\mathrm{OE}}_e{(i,k)}_x=\frac{a{(i,k)}_y}{\sqrt{a{{(i,k)}_x}^2+a{{(i,k)}_y}^2+a{{(i,k)}_z}^2}}\×\frac{m{(i,k)}_z}{\sqrt{m{{(i,k)}_x}^2+m{{(i,k)}_y}^2+m{{(i,k)}_z}^2}}\\ -\frac{a{(i,k)}_z}{\sqrt{a{{(i,k)}_x}^2+a{{(i,k)}_y}^2+a{{(i,k)}_z}^2}}\×\frac{m{(i,k)}_y}{\sqrt{m{{(i,k)}_x}^2+m{{(i,k)}_y}^2+m{{(i,k)}_z}^2}}\end{array},0\≤i\≤n---\left(2\right)$

$\begin{array}{c}{\mathrm{OE}}_e{(i,k)}_y=\frac{a{(i,k)}_z}{\sqrt{a{{(i,k)}_x}^2+a{{(i,k)}_y}^2+a{{(i,k)}_z}^2}}\×\frac{m{(i,k)}_x}{\sqrt{m{{(i,k)}_x}^2+m{{(i,k)}_y}^2+m{{(i,k)}_z}^2}}\\ -\frac{a{(i,k)}_x}{\sqrt{a{{(i,k)}_x}^2+a{{(i,k)}_y}^2+a{{(i,k)}_z}^2}}\×\frac{m{(i,k)}_z}{\sqrt{m{{(i,k)}_x}^2+m{{(i,k)}_y}^2+m{{(i,k)}_z}^2}}\end{array},0\≤i\≤n---\left(3\right)$

$\begin{array}{c}{\mathrm{OE}}_e{(i,k)}_z=\frac{a{(i,k)}_x}{\sqrt{a{{(i,k)}_x}^2+a{{(i,k)}_y}^2+a{{(i,k)}_z}^2}}\×\frac{m{(i,k)}_y}{\sqrt{m{{(i,k)}_x}^2+m{{(i,k)}_y}^2+m{{(i,k)}_z}^2}}\\ -\frac{a{(i,k)}_y}{\sqrt{a{{(i,k)}_x}^2+a{{(i,k)}_y}^2+a{{(i,k)}_z}^2}}\×\frac{m{(i,k)}_x}{\sqrt{m{{(i,k)}_x}^2+m{{(i,k)}_y}^2+m{{(i,k)}_z}^2}}\end{array},0\≤i\≤n---\left(4\right)$

公式(2)、(3)、(4)中，OE_e(i，k)_x、OE_e(i，k)_y、OE_e(i，k)_z为地面坐标系ONEG的OE轴矢量在i号采集模块的O(i，k)X(i，k)、O(i，k)Y(i，k)、O(i，k)Z(i，k)轴的投影；

按照公式(5)、(6)、(7)对OE_e(i，k)_x、OE_e(i，k)_y、OE_e(i，k)_z进行单位化；

$OE{(i,k)}_x=\frac{{\mathrm{OE}}_e{(i,k)}_x}{\sqrt{{\left({\mathrm{OE}}_e{\left(i,k\right)}_x\right)}^2+{\left({\mathrm{OE}}_e{\left(i,k\right)}_y\right)}^2+{\left({\mathrm{OE}}_e{\left(i,k\right)}_z\right)}^2}},0\≤i\≤n---\left(5\right)$

$OE{(i,k)}_y=\frac{{\mathrm{OE}}_e{(i,k)}_y}{\sqrt{{\left({\mathrm{OE}}_e{\left(i,k\right)}_x\right)}^2+{\left({\mathrm{OE}}_e{\left(i,k\right)}_y\right)}^2+{\left({\mathrm{OE}}_e{\left(i,k\right)}_z\right)}^2}},0\≤i\≤n---\left(6\right)$

$OE{(i,k)}_z=\frac{{\mathrm{OE}}_e{(i,k)}_z}{\sqrt{{\left({\mathrm{OE}}_e{\left(i,k\right)}_x\right)}^2+{\left({\mathrm{OE}}_e{\left(i,k\right)}_y\right)}^2+{\left({\mathrm{OE}}_e{\left(i,k\right)}_z\right)}^2}},0\≤i\≤n---\left(7\right)$

公式(5)、(6)、(7)中，OE(i，k)_x、OE(i，k)_y、OE(i，k)_z为地面坐标系ONEG的OE轴单位矢量在i号采集模块的O(i，k)X(i，k)、O(i，k)Y(i，k)、O(i，k)Z(i，k)轴的投影；

按照公式(8)、(9)、(10)计算地面坐标系ONEG的ON单位矢量在i号采集模块的O(i，k)X(i，k)、O(i，k)Y(i，k)、O(i，k)Z(i，k)轴的投影；

$ON{(i,k)}_x=OE{(i,k)}_y\×\frac{a{(i,k)}_z}{\sqrt{a{{(i,k)}_x}^2+a{{(i,k)}_y}^2+a{{(i,k)}_z}^2}}-OE{(i,k)}_z\×\frac{a{(i,k)}_y}{\sqrt{a{{(i,k)}_x}^2+a{{(i,k)}_y}^2+a{{(i,k)}_z}^2}},0\≤i\≤n---\left(8\right)$

$ON{(i,k)}_y=OE{(i,k)}_z\×\frac{a{(i,k)}_x}{\sqrt{a{{(i,k)}_x}^2+a{{(i,k)}_y}^2+a{{(i,k)}_z}^2}}-OE{(i,k)}_y\×\frac{a{(i,k)}_z}{\sqrt{a{{(i,k)}_x}^2+a{{(i,k)}_y}^2+a{{(i,k)}_z}^2}},0\≤i\≤n---\left(9\right)$

$ON{(i,k)}_z=OE{(i,k)}_x\×\frac{a{(i,k)}_y}{\sqrt{a{{(i,k)}_x}^2+a{{(i,k)}_y}^2+a{{(i,k)}_z}^2}}-OE{(i,k)}_y\×\frac{a{(i,k)}_x}{\sqrt{a{{(i,k)}_x}^2+a{{(i,k)}_y}^2+a{{(i,k)}_z}^2}},0\≤i\≤n---\left(10\right)$

公式(8)、(9)、(10)中，ON(i，k)_x、ON(i，k)_y、ON(i，k)_z为地面坐标系ONEG的ON单位矢量在i号采集模块的O(i，k)X(i，k)、O(i，k)Y(i，k)、O(i，k)Z(i，k)轴的投影；

(g)计算在k时刻由地面坐标系向各采集模块坐标系进行坐标变换的转换矩阵：

由公式(11)、(12)、(13)三个矩阵方程进行计算，可获得在k时刻由地面坐标系向采集模块坐标系进行坐标变换的转换矩阵S(i，k)，S(i，k)构成如公式(14)所示；

$\left(\begin{array}{c}a{(i,k)}_x\\ a{(i,k)}_y\\ a{(i,k)}_z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}s{(i,k)}_{11}& s{(i,k)}_{12}& s{(i,k)}_{13}\\ s{(i,k)}_{21}& s{(i,k)}_{22}& s{(i,k)}_{23}\\ s{(i,k)}_{31}& s{(i,k)}_{32}& s(i,k)a_{33}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ g\end{array}\right),0\≤i\≤n---\left(11\right)$

$\left(\begin{array}{c}OE{(i,k)}_x\\ OE{(i,k)}_y\\ OE{(i,k)}_z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}s{(i,k)}_{11}& s{(i,k)}_{12}& s{(i,k)}_{13}\\ s{(i,k)}_{21}& s{(i,k)}_{22}& s{(i,k)}_{23}\\ s{(i,k)}_{31}& s{(i,k)}_{32}& s(i,k)a_{33}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}0\\ 1\\ 0\end{array}\right),0\≤i\≤n---\left(12\right)$

$\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}m{(i,k)}_x\\ m{(i,k)}_y\\ m{(i,k)}_z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}s{(i,k)}_{11}& s{(i,k)}_{12}& s{(i,k)}_{13}\\ s{(i,k)}_{21}& s{(i,k)}_{22}& s{(i,k)}_{23}\\ s{(i,k)}_{31}& s{(i,k)}_{32}& s(i,k)a_{33}\end{array}\right)\×\\ \left(\begin{array}{c}m{(0,k)}_x\×ON{(0,k)}_x+m{(0,k)}_y\×ON{(0,k)}_y+m{(0,k)}_z\×ON{(0,k)}_z\\ 0\\ m{(0,k)}_x\×\frac{a{(0,k)}_x}{\sqrt{a{{(0,k)}_x}^2+a{{(0,k)}_y}^2+a{{(,k)}_z}^2}}+m{(0,k)}_y\×\frac{a{(0,k)}_y}{\sqrt{a{{(0,k)}_x}^2+a{{(0,k)}_y}^2+a{{(,k)}_z}^2}}+m{(0,k)}_z\×\frac{a{(0,k)}_z}{\sqrt{a{{(0,k)}_x}^2+a{{(0,k)}_y}^2+a{{(,k)}_z}^2}}\end{array}\right)\end{array}$

$0\≤i\≤n---\left(13\right)$

$S(i,k)=\left(\begin{array}{ccc}s{(i,k)}_{11}& s{(i,k)}_{12}& s{(i,k)}_{13}\\ s{(i,k)}_{21}& s{(i,k)}_{22}& s{(i,k)}_{23}\\ s{(i,k)}_{31}& s{(i,k)}_{32}& s(i,k)a_{33}\end{array}\right),0\≤i\≤n---\left(14\right)$

由S(i，k)转置获得在k时刻由采集模块坐标系向地面坐标系进行坐标变换的转换矩阵T(i，k)如公式(15)所示；

$T(i,k)=\left(\begin{array}{ccc}t{(i,k)}_{11}& t{(i,k)}_{12}& t{(i,k)}_{13}\\ t{(i,k)}_{21}& t{(i,k)}_{22}& t{(i,k)}_{23}\\ t{(i,k)}_{31}& t{(i,k)}_{32}& t{(i,k)}_{33}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}s{(i,k)}_{11}& s{(i,k)}_{12}& s{(i,k)}_{13}\\ s{(i,k)}_{21}& s{(i,k)}_{22}& s{(i,k)}_{23}\\ s{(i,k)}_{31}& s{(i,k)}_{32}& s(i,k)a_{33}\end{array}\right)}^T,0\≤i\≤n---\left(15\right)$

T(0，k)即为由平台坐标系向地面坐标系进行坐标变换的转换矩阵；

(h)计算k时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵：

由公式(16)计算k时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵TP(i，k)；

$TP(i,k)=T{(0,k)}^{T}T(i,k)=\left(\begin{array}{ccc}tp{(i,k)}_{11}& tp{(i,k)}_{12}& tp{(i,k)}_{13}\\ tp{(i,k)}_{21}& tp{(i,k)}_{22}& tp{(i,k)}_{23}\\ tp{(i,k)}_{31}& tp{(i,k)}_{32}& tp{(i,k)}_{33}\end{array}\right),0<i\&le;n---\left(16\right)$

公式(16)中，T(0，k)^T为T(0，k)的转置；

(i)计算其他时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵：

如果k位于所分析的时间段前部，按照公式(17)依次以时间间隔Δt顺时间方向进行数字积分的迭代运算，可以获得k时刻之后各时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵；

$TP(i,j+1)=TP(i,j)\left(\begin{array}{ccc}0& -\mathrm{\&omega;}{(i,j)}_z& \mathrm{\&omega;}{(i,j)}_y\\ \mathrm{\&omega;}{(i,j)}_z& 0& -\mathrm{\&omega;}{(i,j)}_x\\ -\mathrm{\&omega;}{(i,j)}_y& \mathrm{\&omega;}{(i,j)}_x& 0\end{array}\right)\mathrm{\&Delta;}t+TP(i,j),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k\&le;j\&le;k_2-1\end{array}---\left(17\right)$

如果k位于所分析的时间段后部，按照公式(18)依次以时间间隔Δt逆时间方向进行数字积分的迭代运算，可以获得k时刻之前各时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵；

$TP(i,j-1)=-TP(i,j)\left(\begin{array}{ccc}0& -\mathrm{\&omega;}{(i,j)}_z& \mathrm{\&omega;}{(i,j)}_y\\ \mathrm{\&omega;}{(i,j)}_z& 0& -\mathrm{\&omega;}{(i,j)}_x\\ -\mathrm{\&omega;}{(i,j)}_y& \mathrm{\&omega;}{(i,j)}_x& 0\end{array}\right)\mathrm{\&Delta;}t+TP(i,j),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k_1+1\&le;j\&le;k\end{array}---\left(18\right)$

(j)计算k时刻各采集模块中心相对于平台坐标系的运动：

k时刻0号采集模块中心是平台坐标系的原点，因此，k时刻0号采集模块中心在平台坐标系各轴的投影均为零，由公式(19)获得；

$\left(\begin{array}{c}l{(0,k)}_{px}\\ l{(0,k)}_{py}\\ l{(0,k)}_{pz}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\end{array}\right)---\left(19\right)$

公式(19)中，1(0，k)_px、1(0，k)_py、1(0，k)_pz为k时刻0号采集模块中心在平台坐标系O(0，k)X(0，k)、O(0，k)Y(0，k)、O(0，k)Z(0，k)三轴的投影；

k时刻其他各采集模块中心的位置，由采集模块安装时采集模块中心相对于0号采集模块中心，即平台坐标系原点的相互位置决定，由公式(20)获得；

$\left(\begin{array}{c}l{(i,k)}_{px}\\ l{(i,k)}_{py}\\ l{(i,k)}_{pz}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_{i0}\\ y_{i0}\\ z_{i0}\end{array}\right),0<i\&le;n---\left(20\right)$

公式(20)中，1(i，k)_px、1(i，k)_py、1(i，k)_pz为k时刻编号大于0的i号采集模块中心在平台坐标系O(0，k)X(0，k)、O(0，k)Y(0，k)、O(0，k)Z(0，k)三轴的投影，x_i0、y_u0、z_i0为编号大于0的i号采集模块中心在平台坐标系O(0，k)X(0，k)、O(0，k)Y(0，k)、O(0，k)Z(0，k)三轴的投影，此数据来自采集模块安装固定时的测量结果记录；

k时刻人体与人体所在平台保持相对位置不变，各采集模块具有相同的运动速度由公式(21)获得；

$\left(\begin{array}{c}v{(i,k)}_{px}\\ v{(i,k)}_{py}\\ v{(i,k)}_{pz}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{v}_{px0}\\ v_{py0}\\ v_{pz0}\end{array}\right),0\&le;i\&le;n---\left(21\right)$

公式(21)中，v(i，k)_px、v(i，k)_py、v(i，k)_pz为k时刻i号采集模块运动速度在平台坐标系O(0，k)X(0，k)、O(0，k)Y(0，k)、O(0，k)Z(0，k)三轴的投影，v_px0、v_py0、v_pz0为三轴投影的数值，由人体所在平台提供，当人体所在平台为地面及其上的建筑物时，v_px0、v_py0、v_pz0的值均为0；

(k)计算其他时刻各采集模块中心相对于平台坐标系的运动：

按照公式(22)，将各采集模块的加速度变换到平台坐标系；

$\left(\begin{array}{c}a{(i,j)}_{px}\\ a{(i,j)}_{py}\\ a{(i,j)}_{pz}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}tp{(i,k)}_{11}& tp{(i,k)}_{12}& tp{(i,k)}_{13}\\ tp{(i,k)}_{21}& tp{(i,k)}_{22}& tp{(i,k)}_{23}\\ tp{(i,k)}_{31}& tp{(i,k)}_{32}& tp{(i,k)}_{33}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}a{(i,j)}_x\\ a{(i,j)}_y\\ a{(i,j)}_z\end{array}\right),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k_1\&le;j\&le;k_2\end{array}---\left(22\right)$

公式(22)中，a(i，j)_px、a(i，j)_py、a(i，j)_pz为第i个采集模块在j时刻的加速度在平台坐标系O(0，k)X(0，k)、O(0，k)Y(0，k)、O(0，k)Z(0，k)三轴的投影；

如果k位于所分析的时间段前部，按照公式(23)、(24)，依次以时间间隔Δt顺时间方向，进行数字积分的迭代运算；

$\left(\begin{array}{c}v{(i,j+1)}_{px}\\ v{(i,j+1)}_{py}\\ v{(i,j+1)}_{pz}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}a{(i,j)}_{px}\\ a{(i,j)}_{py}\\ a{(i,j)}_{pz}\end{array}\right)\mathrm{\&Delta;}t+\left(\begin{array}{c}v{(i,j)}_{px}\\ v{(i,j)}_{py}\\ v{(i,j)}_{pz}\end{array}\right),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k\&le;j\&le;k_2-1\end{array}---\left(23\right)$

$\left(\begin{array}{c}l{(i,j+1)}_{px}\\ l{(i,j+1)}_{py}\\ l{(i,j+1)}_{pz}\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}a{(i,j)}_{px}\\ a{(i,j)}_{py}\\ a{(i,j)}_{pz}\end{array}\right){\mathrm{\&Delta;t}}^2+\left(\begin{array}{c}v{(i,j)}_{px}\\ v{(i,j)}_{py}\\ v{(i,j)}_{pz}\end{array}\right)\mathrm{\&Delta;}t+\left(\begin{array}{c}l{(i,j)}_{px}\\ l{(i,j)}_{py}\\ l{(i,j)}_{pz}\end{array}\right),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k\&le;j\&le;k_2-1\end{array}---\left(24\right)$

如果k位于所分析的时间段后部，按照公式(25)、(26)，依次以时间间隔Δt逆时间方向，进行数字积分的迭代运算；

$\left(\begin{array}{c}v{(i,j-1)}_{px}\\ v{(i,j-1)}_{py}\\ v{(i,j-1)}_{pz}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}a{(i,j)}_{px}\\ a{(i,j)}_{py}\\ a{(i,j)}_{pz}\end{array}\right)(-\mathrm{\&Delta;}t)+\left(\begin{array}{c}v{(i,j)}_{px}\\ v{(i,j)}_{py}\\ v{(i,j)}_{pz}\end{array}\right),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k_1+1\&le;j\&le;k\end{array}---\left(25\right)$

$\left(\begin{array}{c}l{(i,j-1)}_{px}\\ l{(i,j-1)}_{py}\\ l{(i,j-1)}_{pz}\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}a{(i,j)}_{px}\\ a{(i,j)}_{py}\\ a{(i,j)}_{pz}\end{array}\right){\mathrm{\&Delta;t}}^2-\left(\begin{array}{c}v{(i,j)}_{px}\\ v{(i,j)}_{py}\\ v{(i,j)}_{pz}\end{array}\right)\mathrm{\&Delta;}t+\left(\begin{array}{c}l{(i,j)}_{px}\\ l{(i,j)}_{py}\\ l{(i,j)}_{pz}\end{array}\right),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k_1+1\&le;j\&le;k\end{array}---\left(26\right)$

(1)计算各采集模块坐标系相对于平台坐标系的姿态角：

如果k位于所分析的时间段前部，由公式(27)、(28)、(29)计算各采集模块坐标系相对于平台坐标系的姿态角；

$\mathrm{\&theta;}(i,j)=\arcsin \left(tp{\left(i,j\right)}_{32}\right),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k\&le;j\&le;k_2\end{array}---\left(27\right)$

$\mathrm{\&gamma;}(i,j)=\arctan \left(\frac{-tp{(i,j)}_{31}}{tp{(i,j)}_{33}}\right),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k\&le;j\&le;k_2\end{array}---\left(28\right)$

$\mathrm{\&psi;}(i,j)=\arctan \left(\frac{-tp{(i,j)}_{12}}{tp{(i,j)}_{22}}\right),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k\&le;j\&le;k_2\end{array}---\left(29\right)$

如果k位于所分析的时间段后部，由公式(30)、(31)、(32)计算各采集模块坐标系相对于平台坐标系的姿态角；

$\mathrm{\&theta;}(i,j)=\arcsin \left(tp{\left(i,j\right)}_{32}\right),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k_1\&le;j\&le;k\end{array}---\left(30\right)$

$\mathrm{\&gamma;}(i,j)=\arctan \left(\frac{-tp{(i,j)}_{31}}{tp{(i,j)}_{33}}\right),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k_1\&le;j\&le;k\end{array}---\left(31\right)$

$\mathrm{\&psi;}(i,j)=\arctan \left(\frac{-tp{(i,j)}_{12}}{tp{(i,j)}_{22}}\right),\begin{array}{c}0\&le;i\&le;n\\ k_1\&le;j\&le;k\end{array}---\left(32\right)$

公式(27)、(28)、(29)、(30)、(31)、(32)中，ψ(i，j)、θ(i，j)、γ(i，j)分别为i号采集模块在j时刻的采集模块坐标系相对于平台坐标系的航向角、俯仰角和倾斜角；

由这些姿态角还可以计算获得在j时刻任意两个采集模块的采集模块坐标系之间的航向角、俯仰角和倾斜角。

本发明的有益效果：该发明系统地提出了人体运动与姿态监测装置和方法，针对运动平台上人体运动与姿态监测的特殊需求，解决了多个采集模块精确同步、高速采集、长时间工作、减小体积与重量、多采集模块扩展等相互制约的技术问题，实现了穿戴式监测；提出了适应长时间惯性测量分段初始对准，按时间正向解算与按时间反向节解算相结合的惯性测量数据解算方法，适应了运动平台上人体多部位运动与姿态监测的解算需要，实现了通过对多个采集模块加速度、角速度、地磁数据，解算获取人体各部分相对于运动平台的运动和姿态数据。该技术方案的主要特点：一是低负荷。在进行人体运动与姿态监测时，各采集模块与主机模块之间采用单线缆连接，装置的主要重量部分电源安装于主机内，使安装于人体各运动部位的采集模块减小了大部分的尺寸和重量，采集模块对人体运动的干扰降低到了最小程度，提高了穿戴监测的效果。二是低辐射。各采集单元用单条线缆连接，电缆仅包括供电和同步信号线，并采用辐射屏蔽，线路辐射很小。三是可扩展，由于各采集模块内部包括存储芯片，采集模块和主机之间采用同步信号统一控制采样频率，所以进行人体运动与姿态监测时采集模块连接的多少不影响采集频率，也不会影响采集数据的储存空间，无论连接多少个采集模块，采集的技术性能不会受到影响，可以适应性多种采集需要。四是分段确定初始时刻，避免惯性测量的时间漂移。五是采用沿时间正向积分迭代与逆时间反向迭代算法，适应多种人体快速运动和姿态变化监测需要。

附图说明

图1是人体运动与姿态监测装置的构成图

图2是采集模块的部件构成图

图3是采集模块控制程序流程图

图4是主机的部件构成图

图5是主机控制程序流程图

图6是解算流程图

图7是平台坐标系与采集模块坐标系角度转换关系图

图8是人体运动与姿态监测装置的一种连接方式示意图

图9是人体运动与姿态监测装置的另一种连接方式示意图

具体实施方式

参照附图，详细说明本发明的实施实例如下：

人体运动与姿态监测装置的采集模块包含1个STM32微处理器、1个外部晶振时钟、1个MPU9255九轴惯性传感器、1个YB1210ST25R300电源稳压器LDO、1个8G的microSD芯片、1个LED指示灯(可用颜色、常亮、闪烁表示不同的工作状态)、1个开关按钮，采用微处理器的USB接口作为与计算机连接的接口，采用1条线路从主机接收采集同步信号，另有2条线作为地线和电源线，接受来自主机的供电。电路板采用4层结构，双面安装电路元器件。按照采集模块控制程序流程图编制采集模块的控制程序。

人体运动与姿态监测装置的主机包含1个STM32微处理器、1个外部晶振时钟、1个YB1210ST25R300电源稳压器LDO、1个锂离子充电电池、1个LED指示灯(可用颜色、常亮、闪烁表示不同的工作状态)、1个电源开关按钮、1个采集启动按钮、1个采集停止按钮，采用微处理器的USB接口作为与计算机连接的接口，采用1条脉冲线路向采集模块发送采集同步信号，同步脉冲频率为1000Hz，另有2条线作为地线和电源线向采集模块供电。电路板采用4层结构，双面安装电路元器件。按照主机控制程序流程图编制主机的控制程序。

计算机采用笔记本电脑，通过其USB口分别与主机和采集模块连接，并安装按照解算流程图编制的人体运动与姿态监测解算软件，该软件的解算过程依据人体运动和姿态数据解算处理方法及具体算法。

人体运动和姿态监测装置使用前应先进行电池充电、设置主机采集频率、设置采集模块的编号和时间标志间隔。根据所要监测的人体运动和姿态的特点，确定合适的人体监测部位，确定采用模块的数量，并安装采集模块和主机，接好主机和采集模块的连接线缆。比如对于飞机阻拦降落时的人体运动和姿态监测，可以将采样频率设置为1000Hz，可选择人体头部和头盔、颈部、胸部、腰部、两个上肢的上段和下段、两个下肢的上段和下端、飞行员座椅底座作为安装采集模块的位置，座椅底座作为0号采集模块，其他采集模块依次安装，安装可采用粘贴、束缚、紧身衣等方式实现，主机可固定于座椅旁或下方，并将采集模块的连接线缆与主机连接好，可以从两种连接方式中选择一种合适的方式。

开始进行人体运动和姿态监测前，人体应保持一个特定姿态，测量人体及人体所在平台上固定的其他采集模块的中心与0号采集模块的相对位置测量，记录后输入计算机。比如，对飞机阻拦降落时的人体运动和姿态监测，监测开始前飞行员应坐到驾驶舱内，保持一个特定的初始驾驶姿势，测量各采集模块中心相对于0号采集模块中心的位置偏离数据，记录后输入计算机。

开启主机和各采集模块的开关，按下主机的采集启动按钮，各采集模块在主机控制下开始采集数据，直至采集完毕关机。比如，对飞机阻拦降落时的人体运动和姿态监测，飞行员驾驶飞机起飞，空中飞行后进行阻拦降落，降落后飞行员回到特定的初始驾驶姿势，下机后按下采集停止按钮，关闭采集模块开关，取下采集模块和主机。将各采集模块与主机相连，下载各采集模块中记录的数据。

人体运动与姿态监测解算软件可采用Windows运行环境，采用C语言编程，解算算法和流程按照图6的所示流程。

使用计算机上的人体运动与姿态监测解算软件，针对获得的监测原始数据，计算得到所需分析的人体动作的运动和姿态数据。比如，阻拦降落时间段内飞行员人体运动和姿态原始数据的解算，可将飞机阻拦降落后飞机和人体静止时刻作为计算的初始时刻，建立与初始时刻点对应的地面坐标系和平台坐标系，沿时间反方向进行积分迭代计算，获得在飞机阻拦降落过程中的飞机平台运动和姿态变化数据、人体各部位运动和姿态变化数据，以及他们相互之间的运动和姿态变化数据，从而分析阻拦降落时的人体动力学响应。

平台坐标系与采集模块坐标系角度转换关系通过图7表示，其中OXpYpZp为将平台坐标系的中心位置移动而方向不变得到的坐标系，OXcYcZc为将采集模块坐标系中心移动而方向不变得到的坐标系，OXpYpZp坐标系与OXcYcZc坐标系的角度关系等同于平台坐标系与采集模块坐标系的关系，ψ、θ、γ分别为采集模块坐标系相对于平台坐标系的航向角、俯仰角和倾斜角。

该实施方案是本发明的一个实施特例，在运用本发明进行人体运动与姿态监测装置设计、进行人体运动与姿态监测解算软件编制时，可以按照功能和技术指标，变换其具体结构，改变部件、器件、材料的型号及生产厂家，选择合适的操作系统环境和编程语言。

Claims (8)

1.人体运动与姿态监测装置和方法，是以惯性测量器件、计算机和数控器件为核心，以惯性空间变换和动力学算法为关键点，获取人体运动和姿态信息的装置和方法，其特征在于：监测装置由一个主机、多个采集模块和一台计算机构成，数据处理方法包括人体运动和姿态数据采集方法和数据解算处理方法；

主机由数控器件、电池、电源稳压器件、按钮、指示灯和接口构成；数控器件控制主机各部分的工作，电池为主机和采集模块供电，电源稳压器件保持主机和采集模块工作电压的稳定，按钮提供主机功能选择，指示灯显示主机工作状态；一个接口包含供电线路和同步信号线路，在监测时连接主机与各采集模块，用于主机为各采集模块供电和提供采集同步信号；另一个接用于连接主机与计算机，在装置用于人体运动和姿态监测前，由计算机完成对主机同步采样率的设置；两个接口也可以合并为一个，在与计算机连接和与采集模块连接时采用不同的连接线缆，分别实现两个接口的功能；

采集模块有多个，各采集模块的构成完全相同，包括数控器件、MEMS惯性测量器件、非易失性存储器件、按钮、指示灯和接口；数控器件控制采集模块各部分的工作，MEMS惯性测量器件获取采集模块所在位置的加速度、角速度和地磁数据，非易失性存储器件在数控器件的控制下按照时间顺序储存MEMS惯性测量器件获取的加速度、角速度、地磁数据和时间标志；一个外接口包含供电线路和同步信号线路，用于各采集模块与主机的连接，当采集模块用于人体运动和姿态监测时，各采集模块通过该接口接受主机的供电和采集同步信号；另一个接口用于采集模块与计算机，在装置用于人体运动和姿态监测前，由计算机设置采集模块的编号和时间标志间隔，在装置用于人体运动和姿态监测后，由计算机读取各采集模块获取的按照时间标志顺序储存的人体加速度、角速度、地磁数据和时间标志；两个接口也可以合并为一个，在与计算机连接和与主机连接时采用不同的连接线缆，分别实现两个接口的功能；

计算机作为人体运动与姿态监测的数据分析设备，通过计算所提供的接口，分别与主机和采集模块连接，对主机和采集模块进行工作参数设置，读取采集模块采集获得的反映人体运动和姿态的加速度、角速度和地磁数据，按照人体运动和姿态数据采集方法和数据解算处理方法，计算获得人体在一个特定时间段的加速度、速度、位移和角速度、角度数据；

人体运动和姿态数据采集方法包括如下步骤：根据人体运动和姿态监测需要，确定要监测的人体部位和监测点；依据人体部位监测点数量确定使用的采集模块的数量n；根据采集需要设定主机的同步采样率，设定采集模块编号和时间标志间隔，采样模块的编号设置范围为0～n；将0号采集模块固定于人体所在运动平台上，若人体所在平台为地面或建筑物面，可以将人体靠近地面或建筑物面的一个采集模块编为0号采集模块；其他编号采集模块分别固定于人体各部位的监测点，主机固定于人体腰部或固定于不影响人体作业动作的人体所在平台上；将各采集模块的接口与主机接口通过电缆线连接；使人体所在运动平台相对于地面处于静止状态，人体保持特定初始姿态，测量安装好的各采集模块中心相对于0号采集模块中心的位置数据，并依次将采集模块标号、人体部位、相对于0号模块的中心的位置偏移数据输入计算机；按下主机和采集模块的相关按钮，启动主机和各采集模块工作，开始采集各模块所在位置的加速度、角速度、地磁数据，并按照时间标志顺序，一并存储在各采集模块的非易失性存储器件中，形成采集数据序列；采集过程中，人体在平台上开始进行各种操作动作，直至完成全部作业过程；人体在进行每个需要分析的作业动作前后，应有一段时间使人体姿态恢复到开始时的特定初始姿势，并保持人体所在平台相对于地面不做加速运动；整个作业过程结束后，按下主机和采集模块的相关按钮，停止主机和各采集模块工作，取下各采集模块和主机，通过接口连接各采集模块和计算机，由计算机读取各采集模块的非易失性存储器件中的代表人体运动和姿态的原始数据；

人体运动和姿态数据解算处理方法包括如下步骤：确定需要解算的人体作业动作；从读取的各采集模块的采集数据序列中，按照时间标志，截取包含人体作业动作的时间间隔内的所有加速度、角速度和磁场数据；对截取的数据进行异常数据修正；确定非加速运动判定值p₀；确定数据解算初始时刻k；确定地面坐标系和平台坐标系；计算k时刻地面坐标系在各采集模块坐标系各轴的投影；计算k时刻由地面坐标系向采集模块坐标系进行坐标变换的转换矩阵；计算k时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵；计算由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵；计算k时刻各采集模块中心相对于平台坐标系的运动；计算各采集模块中心相对于平台坐标系的运动；计算各采集模块坐标系相对于平台坐标系的姿态角。

2.根据权利要求1所述的人体运动与姿态监测装置和方法，其特征在于：所述的数控器件为单片机、DSP器件或FPGA器件。

3.根据权利要求1所述的人体运动与姿态监测装置和方法，其特征在于：所述的MEMS惯性测量器件为可以测量三个方向的加速度、三个方向的角速度和三个方向的地磁的九轴MEMS惯性测量芯片，或分别由可以测量三个方向加速度的MEMS惯性测量芯片、可以测量三个方向角速度的MEMS惯性测量芯片和可以测量三个方向地磁的芯片构成；加速度、角速度、地磁的三个测量轴采用同一个坐标系，称为采集模块坐标系，该坐标系是满足右手法则的正交坐标系，其原点为采集模块的中心，各轴为采集模块惯性测量器件的测量轴，该坐标系标示于各采集模块的外壳上。

4.根据权利要求1所述的人体运动与姿态监测装置和方法，其特征在于：所述的同步信号线路可以为一根传输脉冲信号的线路，通过脉冲前沿或后沿为各采集模块提供采集同步；也可以为两根线路构成的CAN总线或485总线，通过传送特定数据包为各采集模块提供采集同步信号。

5.根据权利要求1所述的人体运动与姿态监测装置和方法，其特征在于：所述的采集数据序列包括按照设定的时间标志间隔记录的时间标志数据和采集模块的加速度、角速度、地磁数据；时间标志数据按照时间顺序编码，当个别数据段出现存储错误时，提供分段数据对准；加速度、角速度、地磁数据按照时间顺序存储在各时间标志之间。

6.根据权利要求1所述的人体运动与姿态监测装置和方法，以及权利要求3所述的采集模块坐标系，其特征在于：所述的采集模块坐标系在人体运动过程中随该采集模块固定处运动，采集模块坐标系的位置和方向的变化代表了该模块所处位置的运动和姿态的变化；第i号采集模块在j时刻的采集模块坐标系表示为O(i，j)X(i，j)Y(i，j)Z(i，j)，O(i，j)为第i号采集模块中心在j时刻的位置点，为坐标系的原点，O(i，j)X(i，j)、O(i，j)Y(i，j)、O(i，j)Z(i，j)为第i号采集模块在j时刻的三个惯性测量轴的方向，与标示于采集模块上的标识方向一致。

7.根据权利要求1所述的人体运动与姿态监测装置和方法，其特征在于：采集模块中存储的人体运动和姿态数据包括：a(i，j)_x、a(i，j)_y、a(i，j)_z，分别为第i个采集模块在j时刻的相对于惯性坐标系的加速度在该采集模块坐标系O(i，j)X(i，j)Y(i，j)Z(i，j)的O(i，j)X(i，j)、O(i，j)Y(i，j)、O(i，j)Z(i，j)方向上的分量；ω(i，j)_x、ω(i，j)_y、ω(i，j)_z，分别为第i个采集模块在j时刻的相对于惯性坐标系的角速度在该采集模块坐标系O(i，j)X(i，j)Y(i，j)Z(i，j)的O(i，j)X(i，j)、O(i，j)Y(i，j)、O(i，j)Z(i，j)方向上的分量；m(i，j)_x、m(i，j)_y、m(i，j)_z，分别为第i个采集模块在j时刻的磁场在该采集模块坐标系O(i，j)X(i，j)Y(i，j)Z(i，j)的O(i，j)X(i，j)、O(i，j)Y(i，j)、O(i，j)Z(i，j)方向上的分量。

8.根据权利要求1所述的人体运动与姿态监测装置和方法，其特征在于：人体运动和姿态数据解算处理的解算算法如下：

(a)截取数据段：根据需要解算的人体作业动作，确定人体运动与姿态数据的起始时刻k₁和终止时刻k₂，通过时间标志对比，确认该时间段内的数据记录完整，截取各采集模块处于k1～k2时刻之间的采集数据序列，得到该段时间内的加速度、角速度和磁场强度数据：

a(i，j)_x、a(i，j)_y、a(i，j)_z 0≤i≤n，k₁≤j≤k₂

ω(i，j)_x、ω(i，j)_y、ω(i，j)_z 0≤i≤n，k₁≤j≤k₂

m(i，j)_x、m(i，j)_y、m(i，j)_z 0≤i≤n，k₁≤j≤k₂；

(b)对截取的数据进行异常数据修正：

对截取的数据进行平滑滤波，平滑滤波的阶数根据人体和人体所在平台的加速度变化确定，加速度变化越剧烈，平滑滤波阶数越低，反之就越高；

平滑滤波后的数据为：

a_p(i，j)_x、a_p(i，j)_y、a_p(i，j)_z 0≤i≤n，k₁≤j≤k₂

ω_p(i，j)_x、ω_p(i，j)_y、ω_p(i，j)_z 0≤i≤n，k₁≤j≤k₂

m_p(i，j)_x、m_p(i，j)_y、m_p(i，j)_z 0≤i≤n，k₁≤j≤k₂；

将i，j对应的截取的数据与滤波后的数据进行比较，如果两者差的绝对值大于某门限值，则剔除该截取的数据值，用该时刻前后的插值替换之；

门限值的大小根据被监测的人体所在平台和人体的加速度变化确定，加速度变化越剧烈，门限值越大，反之就越小；

(c)确定非加速运动判定值p₀：

用p₀值判定人体及人体所在平台的运动情况，p₀越小说明人体及人体所在平台的加速度越小，相对于地面更接近于匀速运动，人体及人体所在平台的匀速运动的时刻即为人体运动和姿态数据解算处理的初始时刻；p₀根据所监测对象的运动特点确定，为了获得较高的解算精度，应尽可能取较小的p₀值，一般可取p₀为0.1，在解算过程中再逐步调整；

(d)确定数据解算初始时刻k：

按照公式(1)计算人体所在平台和人体各部位的加速度幅值与重力加速度的偏离比p(i，j)；

公式(1)中的g为当地的重力加速度值；

在(k₁≤j≤k₂)范围内，寻找对所有的i，均满足p(i，k)≤p₀的时刻k，则该时刻k即可作为初始参考时刻；如果不存在这样的时刻k，则需减小k₁，增大k₂，再次寻找相应的时刻k；如果通过调整k₁、k₂的值仍无法找到符合条件的k，则适当增大p₀值，直至找到符合条件的k；

(e)确定地面坐标系和平台坐标系：

地面坐标系定义为ONEG，O是k时刻0号采集模块中心所处的位置点，作为地面坐标系的原点；OG由原点O发出，指向为重力方向；OE由原点出发，指向垂直于重力和地磁指向构成的平面；ON垂直于OE和OG构成的平面，符合坐标系的右手法则；地面参考坐标系ONEG在数秒至数十秒的时间段内可视为惯性坐标系，k时刻各采集模块所处的位置、重力和地磁方向决定了地面坐标系的位置和方向，在人体运动和姿态数据解算处理过程中，地面坐标系保持不变；

平台坐标系定义为O(0，k)X(0，k)Y(0，k)Z(0，k)，O(0，k)为k时刻0号采集模块的中心，O(0，k)X(0，k)、O(0，k)Y(0，k)、O(0，k)Z(0，k)为0号采集模块在k时刻的三个测量轴向，构成符合右手法则的坐标系；平台坐标系就是k时刻的0号采集模块的采集模块坐标系，平台坐标系确定后保持不变，平台坐标系相对于地面坐标系保持固定的位置和姿态；

(f)计算k时刻地面坐标系在各采集模块坐标系各轴的投影：

按照公式(2)、(3)、(4)计算地面坐标系ONEG的OE轴矢量在i号采集模块的O(i，k)X(i，k)、O(i，k)Y(i，k)、O(i，k)Z(i，k)轴的投影；

公式(2)、(3)、(4)中，OE_e(i，k)_x、OE_e(i，k)_y、OE_e(i，k)_z为地面坐标系ONEG的OE轴矢量在i号采集模块的O(i，k)X(i，k)、O(i，k)Y(i，k)、O(i，k)Z(i，k)轴的投影；

按照公式(5)、(6)、(7)对OE_e(i，k)_x、OE_e(i，k)_y、OE_e(i，k)_z进行单位化；

公式(5)、(6)、(7)中，OE(i，k)_x、OE(i，k)_y、OE(i，k)_z为地面坐标系ONEG的OE轴单位矢量在i号采集模块的O(i，k)X(i，k)、O(i，k)Y(i，k)、O(i，k)Z(i，k)轴的投影；

按照公式(8)、(9)、(10)计算地面坐标系ONEG的ON单位矢量在i号采集模块的O(i，k)X(i，k)、O(i，k)Y(i，k)、O(i，k)Z(i，k)轴的投影；

公式(8)、(9)、(10)中，ON(i，k)_x、ON(i，k)_y、ON(i，k)_z为地面坐标系ONEG的ON单位矢量在i号采集模块的O(i，k)X(i，k)、O(i，k)Y(i，k)、O(i，k)Z(i，k)轴的投影；

(g)计算在k时刻由地面坐标系向各采集模块坐标系进行坐标变换的转换矩阵：

由公式(11)、(12)、(13)三个矩阵方程进行计算，可获得在k时刻由地面坐标系向采集模块坐标系进行坐标变换的转换矩阵S(i，k)，S(i，k)构成如公式(14)所示；

由S(i，k)转置获得在k时刻由采集模块坐标系向地面坐标系进行坐标变换的转换矩阵T(i，k)如公式(15)所示；

T(0，k)即为由平台坐标系向地面坐标系进行坐标变换的转换矩阵；

(h)计算k时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵：

由公式(16)计算k时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵TP(i，k)；

公式(16)中，T(0，k)^T为T(0，k)的转置；

(i)计算其他时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵：

如果k位于所分析的时间段前部，按照公式(17)依次以时间间隔Δt顺时间方向进行数字积分的迭代运算，可以获得k时刻之后各时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵；

如果k位于所分析的时间段后部，按照公式(18)依次以时间间隔Δt逆时间方向进行数字积分的迭代运算，可以获得k时刻之前各时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵；

(j)计算k时刻各采集模块中心相对于平台坐标系的运动：

k时刻0号采集模块中心是平台坐标系的原点，因此，k时刻0号采集模块中心在平台坐标系各轴的投影均为零，由公式(19)获得；

公式(19)中，l(0，k)_px、l(0，k)_py、l(0，k)_pz为k时刻0号采集模块中心在平台坐标系O(0，k)X(0，k)、O(0，k)Y(0，k)、O(0，k)Z(0，k)三轴的投影；

k时刻其他各采集模块中心的位置，由采集模块安装时采集模块中心相对于0号采集模块中心，即平台坐标系原点的相互位置决定，由公式(20)获得；

公式(20)中，l(i，k)_px、l(i，k)_py、l(i，k)_pz为k时刻编号大于0的i号采集模块中心在平台坐标系O(0，k)X(0，k)、O(0，k)Y(0，k)、O(0，k)Z(0，k)三轴的投影，x_i0、y_i0、z_i0为编号大于0的i号采集模块中心在平台坐标系O(0，k)X(0，k)、O(0，k)Y(0，k)、O(0，k)Z(0，k)三轴的投影，此数据来自采集模块安装固定时的测量结果记录；

k时刻人体与人体所在平台保持相对位置不变，各采集模块具有相同的运动速度由公式(21)获得；

公式(21)中，v(i，k)_px、v(i，k)_py、v(i，k)_pz为k时刻i号采集模块运动速度在平台坐标系O(0，k)X(0，k)、O(0，k)Y(0，k)、O(0，k)Z(0，k)三轴的投影，v_px0、v_py0、v_pz0为三轴投影的数值，由人体所在平台提供，当人体所在平台为地面及其上的建筑物时，v_px0、v_py0、v_pz0的值均为0；

(k)计算其他时刻各采集模块中心相对于平台坐标系的运动：

按照公式(22)，将各采集模块的加速度变换到平台坐标系；

公式(22)中，a(i，j)_px、a(i，j)_py、a(i，j)_pz为第i个采集模块在j时刻的加速度在平台坐标系O(0，k)X(0，k)、O(0，k)Y(0，k)、O(0，k)Z(0，k)三轴的投影；

如果k位于所分析的时间段前部，按照公式(23)、(24)，依次以时间间隔Δt顺时间方向，进行数字积分的迭代运算；

如果k位于所分析的时间段后部，按照公式(25)、(26)，依次以时间间隔Δt逆时间方向，进行数字积分的迭代运算；

(1)计算各采集模块坐标系相对于平台坐标系的姿态角：

如果k位于所分析的时间段前部，由公式(27)、(28)、(29)计算各采集模块坐标系相对于平台坐标 系的姿态角；

如果k位于所分析的时间段后部，由公式(30)、(31)、(32)计算各采集模块坐标系相对于平台坐标系的姿态角；

公式(27)、(28)、(29)、(30)、(31)、(32)中，ψ(i，j)、θ(i，j)、γ(i，j)分别为i号采集模块在j时刻的采集模块坐标系相对于平台坐标系的航向角、俯仰角和倾斜角；

由这些姿态角还可以计算获得在j时刻任意两个采集模块的采集模块坐标系之间的航向角、俯仰角和倾斜角。