CN107976559A - 基于静止点检测的滤除重力加速度方法 - Google Patents
基于静止点检测的滤除重力加速度方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于静止点检测的滤除重力加速度方法，包括：将六轴传感器固定在待检测目标上；采集并输入三轴加速度数据和三轴角速度数据；进行误差处理；以运动静止点对运动进行分段；分别投影每段运动数据首尾静止点，滤除每段运动的重力加速度得到两段不同三轴线性加速度；根据两段不同的线性加速度的准确性的分布特点，分配权值进行拟合，得到最终的三轴线性加速度；输出滤除重力加速度后的三轴线性加速度。一种采用所述的基于静止点检测的滤除重力加速度方法的加速度检测设备。检测结果精度高，方法及其设备适用性强，可广泛应用于使用加速度传感器对物体运动的研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种加速度检测方法，具体涉及一种针对非连续运动的、基于静止点检测的从由处于相同传感器坐标系的三轴加速度传感器与三轴陀螺仪共同构成的六轴传感器的三轴加速度传感器数据中滤除重力加速度得到三轴线性加速度的方法。
背景技术
加速度传感器因为其工作原理，受到地球重力场的影响。其所测得的加速度是物体自身运动的线性加速度以及物体受到的重力加速度一起作用的结果。所以从加速度传感器所测得三轴加速度数据中滤除重力加速度得到三轴线性加速度的过程对于利用加速度传感器来研究物体的空间运动来说是一种重要手段。现有的滤除重力加速度的方法主要分为两大类：一是低通滤波的方法，对加速度传感器测得的原始数据使用低通滤波，将变化频率较小的重力加速度滤出，再用传感器加速度减去重力加速度，最终得到线性加速度。低通滤波的方法易于理解，操作简单，但使用此种方法得到的线性加速度，与物体真实线性加速度的相差较大，只能大体表征出真实线性加速度的变化趋势，对于一些对线性加速度精度要求较高的研究，低通滤波方法的效果不甚理想；二是结合陀螺仪信息的坐标系旋转的方法。此种方法要求运动以静止状态开始，静止状态下物体自身的线性加速度为零，加速度传感器所测得的数据仅受重力影响的加速度。测得数据后，首先使用卡尔曼滤波，对数据进行误差处理。然后结合陀螺仪数据，使用旋转矩阵，便可计算出重力加速度在三轴传感器加速度上的投影情况，减去投影在传感器加速度各轴的重力加速度，最终得到物体的三轴线性加速度。坐标系旋转的方法较之低通滤波的方法所得线性加速度与真实线性加速度更为贴近，但在误差处理上，尤其是在处理使用陀螺仪的角速度数据积分得到角度数据时过程中产生的积分误差问题时，效果不甚理想。积分误差随着数据量的增大而呈逐渐增大的趋势。
根据以上描述可知，现有的滤除重力加速度的方法主要存在的问题是结果的精度问题，所得的线性加速度与物体真实加速度存在较为明显的偏差。因此，设计一种可克服上述问题的滤除重力加速度的技术是亟需解决的问题。
发明内容
鉴于以上情形，为了解决上述技术存在的问题，本发明提出一种从由处于相同传感器坐标系的三轴加速度传感器与三轴陀螺仪共同构成的六轴传感器的三轴加速度传感器数据中滤除重力加速度得到三轴线性加速度的方法，以提高加速度检测结果精度，促进使用加速度传感器对物体运动的研究。
一种基于静止点检测的滤除重力加速度方法，包括如下步骤：将设置在相同传感器坐标系的三轴加速度传感器与三轴陀螺仪共同构成的六轴传感器固定在待检测目标上；采集加速度传感器的三轴加速度信号与陀螺仪的三轴角速度信号并输入三轴加速度数据和三轴角速度数据；对加速度传感器的三轴加速度数据和陀螺仪的三轴角速度数据进行误差处理；根据角速度数据从加速度数据中检测出运动静止点并以运动静止点对运动进行分段；分别投影每段运动数据首尾静止点，滤除每段运动的重力加速度得到两段不同三轴线性加速度；根据两段不同的线性加速度的准确性的分布特点，分配权值进行拟合，得到最终的三轴线性加速度；输出滤除重力加速度后的三轴线性加速度。
优选地，所述对加速度传感器的三轴加速度数据和陀螺仪的三轴角速度数据进行误差处理，包括：使用求取均值的方法对加速度，角速度数据进行零位偏移误差处理；使用卡尔曼滤波的方法对加速度，角速度数据进行随机误差误差处理；对角速度数据使用均值滤波，减小角速度数据积分产生的积分误差。
优选地，所述根据角速度数据从加速度数据中检测出运动静止点，包括：计算三轴加速度数据f_acc_x、f_acc_y、f_acc_z的合加速度t_acc，计算三轴角速度数据f_angvel_x、f_angvel_y、f_angvel_z的合角速度t_angvel；求取合加速度t_acc的极值点集；根据静止时合加速度t_acc幅值变化范围设置合加速度t_acc静止点阈值T1，根据静止时合角速度t_angvel幅值变化范围设置合角速度t_angvel静止点阈值T2；根据有效运动频率设置静止点邻域宽度；根据合加速度t_acc的静止点阈值T1以及静止点邻域的宽度在合加速度t_acc的极值点集中进行静止点检测，并以合角速度t_angvel静止点阈值T2作为判断条件进行辅助筛选。
优选地，所述分别投影每段运动数据首尾静止点，滤除每段运动的重力加速度得到两段不同三轴线性加速度，包括：对每段运动的三轴角速度f_angvel_x、f_angvel_y、f_angvel_z积分得到三轴角度f_angle_x、f_angle_y、f_angle_z；把静止点处三轴加速度根据三轴角度信息利用旋转矩阵投影到运动数据段各点处实时坐标系；用三轴加速度数据减去投影来的仅受重力影响的加速度值，得到三轴线性加速度；投影开头和结尾两个静止点，分别得到整段运动的两段不同线性加速度结果p_f_lineacc、n_f_lineacc。
优选地，所述根据两段不同的线性加速度的准确性的分布特点，分配权值进行拟合，得到最终的三轴线性加速度，包括：投影每段运动的段首静止点得来的线性加速度p_f_lineacc，从前往后由大到小分配权值；投影每段运动的段末静止点得来的线性加速度n_f_lineacc，从前往后由小到大分配权值；两段线性加速度对应点处权值和为1；将两段线性加速度对应点处数据乘以权值并相加，得到最终三轴线性加速度f_lineacc。
一种采用所述的基于静止点检测的滤除重力加速度方法的加速度检测设备，包括数据信号输入模块、存储模块、运算模块和输出模块，所述数据信号输入模块用于采集加速度传感器的三轴加速度与陀螺仪的三轴角速度，所述存储模块用于存储输入数据、计算过程数据以及计算结果数据，运算模块用于执行预先设定的运算，所述输出模块用于输出计算结果数据和/或计算过程数据和/或输入数据。
进一步地，包括六轴传感器，所述六轴传感器包括固定设置在相同传感器坐标系的三轴加速度传感器与三轴陀螺仪，三轴加速度传感器与三轴陀螺仪的数据端口分别与数据信号输入模块连接。
在采取本发明提出的技术后，根据本发明实施例的基于静止点检测的滤除重力加速度方法及其加速度检测设备，具有以下有益效果。
1)可以实现利用加速度传感器与陀螺仪信息从六轴传感器的三轴加速度传感器数据中滤除重力加速度得到三轴线性加速度的功能。
2)检测结果精度高，方法及其设备适用性强，可广泛应用于使用加速度传感器对物体运动的研究。
附图说明
图1示出了本发明实施例的滤除重力加速度的工作流程图；
图2示出了本发明实施例的一个采样点数据单元示意图；
图3示出了本发明实施例的静止点检测效果图；
图4示出了本发明实施例的传感器绕y轴做自旋转运动滤除重力加速度效果图。
具体实施方式
下面将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
一种加速度检测设备，包括六轴传感器、数据信号输入模块、存储模块、运算模块和输出模块，所述六轴传感器包括固定设置在相同传感器坐标系的三轴加速度传感器与三轴陀螺仪，三轴加速度传感器与三轴陀螺仪的数据端口分别与数据信号输入模块连接，数据信号输入模块与运算模块连接，运算模块还分别与存储模块和输出模块连接。
所述数据信号输入模块用于采集加速度传感器的三轴加速度与陀螺仪的三轴角速度，所述存储模块用于存储输入数据、计算过程数据以及计算结果数据，运算模块用于执行预先设定的运算，所述输出模块用于输出计算结果数据和计算过程数据以及初始的输入数据，输出模块包括数据输出端口和数据显示屏。
下面请参阅图1，介绍本发明较佳实施例滤除重力加速度法的流程。
步骤S10，采集并输入传感器加速度数据与角速度数据。
首先将六轴传感器固定在需要研究的目标上，保证传感器与目标不会产生相对位移。同时采集加速度传感器的三轴加速度信号以及陀螺仪的三轴角速度信号，并标明采样时刻。一个采样点数据单元包括三轴加速度数据，三轴角速度数据以及采样时刻共7个数据。图2所示为本发明一个采样点数据单元示意图。采集的数据作为初始的输入数据通过数据信号输入模块传递至运算模块，并储存至存储模块。
步骤S20，对传感器加速度与角速度数据进行误差处理。
先对加速度传感器的三轴加速度数据以及陀螺仪的三轴角速度数据进行零位偏移误差处理，即将三轴加速度数据以及陀螺仪的三轴角速度数据分别减去各自三轴的零位偏移值。零位偏移值是通过零位偏移检测得来，即多次将六轴传感器以预设姿态静止放置，计算测量值与预期值的偏移量，取多次偏移量的平均值作为零位偏移值。零位偏移值的检测可以预先进行并将多次偏移量的平均值作为零位偏移值储存在存储模块中供运算模块调用。
然后使用卡尔曼滤波的方法对加速度、角速度数据进行随机误差误差处理；最后对角速度数据使用均值滤波滤除小于有效运动频率的信息。例如研究人体肢体运动时，有效运动频率约为15HZ，使用均值滤波滤除小于15HZ的三轴角速度信息，减小无用信息在角速度数据积分时产生的积分误差。上述三个处理过程可以由预先设置的运算程序调用运算模块执行，执行时的计算过程数据储存至存储模块中。
步骤S30，进行静止点检测并以静止点为端点对运动进行分段。
先计算三轴加速度数据f_acc_x、f_acc_y、f_acc_z的合加速度t_acc，计算三轴角速度数据f_angvel_x、f_angvel_y、f_angvel_z的合角速度t_angvel；求取合加速度t_acc的极值点集，静止点集为此极值点集的子集，即接下来静止点检测是在t_acc极值点集上进行；根据静止时合加速度t_acc幅值变化范围设置合加速度t_acc静止点阈值T1为0.1g，根据静止时合角速度t_angvel幅值变化范围设置合角速度t_angvel静止点阈值T2为30弧度每秒；为避免随机误差对静止点检测造成的误检，对合加速度t_acc极值点集中的每个点，即静止点候选点的邻域中所有点进行静止判断。根据有效运动频率f设置静止点邻域宽度即邻域中极值点数为N，N与有效运动频率f的关系如公式(1)：
N＝f/3 (1)
即邻域中所有点在时间上的跨度取三分之一秒左右。静止判断条件如公式(2)所示：
当邻域中所有点的都满足公式(2)时，将此候选点归为静止点集，并记录静止点的位置；根据记录的静止点位置，将整段待处理数据以静止点为端点进行分段。参阅图3所示为本发明较佳实施例中静止点检测效果图像。
步骤S40，分别投影每段运动数据首尾静止点，滤除重力加速度，得到两段不同三轴线性加速度。
所述基于静止点检测滤除重力加速度方法，对步骤S30得到每段运动数据滤除重力加速度得到三轴线性加速度。首先对每段运动的三轴角速度f_angvel_x、f_angvel_y、f_angvel_z积分得到三轴角度f_angle_x、f_angle_y、f_angle_z；然后把每段运动数据开头和结尾静止点看做只受重力影响的状态，此时静止点处数据显示的便是只受重力影响的加速度。把静止点处三轴加速度根据角度信息利用旋转矩阵公式(3)：
投影到运动数据段各个实时坐标系，公式(3)中α、β、γ分别为f_angvel_x[i]、f_angvel_y[i]、f_angvel_z[i]，x0、y0、z0分别为静止点处三轴加速度f_acc_x、f_acc_y、f_acc_z。将每点处三轴加速度数据减去投影来的仅受重力影响的加速度值，便是该点的三轴线性加速度。分别投影开头和结尾两个静止点，从而得到整段运动的两段不同线性加速度结果p_f_lineacc、n_f_lineacc。
步骤S50，根据两种不同的线性加速度的准确性的分布特点，分配权值进行拟合，得到最终的三轴线性加速度。
所述基于静止点滤除重力加速度方法拟合两段线性加速度，投影段首静止点得来的线性加速度p_f_lineacc，从前往后由大到小分配权值；投影段末静止点得来的线性加速度n_f_lineacc，从前往后由小到大分配权值；两端线性加速度对应点处权值和为1，将两端线性加速度对应点处数据乘以权值并相加，得到最终线性加速度f_lineacc。拟合公式如公式(4)所示：
其中n是线性加速度数列长度，参阅图4所示为本发明较佳实施例中滤除重力加速度效果图像。至此得到最终的滤除重力加速度后的三轴线性加速度并输出。
上述S30步骤至S50步骤中的运算可以由预先设置的运算程序调用运算模块执行，执行时的计算过程数据储存至存储模块中。运算处理得到的最终的计算结果数据储存至存储模块中，并通过输出模块的数据显示屏显示，也可以通过输出模块的数据输出端口输出至其它装置进行进一步的研究。
通过以上加速度检测设备以及在此基础上进行的基于静止点检测的滤除重力加速度方法，可以实现利用加速度传感器与陀螺仪信息从六轴传感器的三轴加速度传感器数据中滤除重力加速度得到三轴线性加速度的功能，并且检测结果精度高，方法及其设备适用性强，可广泛应用于使用加速度传感器对物体运动的研究。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于静止点检测的滤除重力加速度方法，其特征在于，包括如下步骤：
将设置在相同传感器坐标系的三轴加速度传感器与三轴陀螺仪共同构成的六轴传感器固定在待检测目标上；
采集加速度传感器的三轴加速度信号与陀螺仪的三轴角速度信号并输入三轴加速度数据和三轴角速度数据；
对加速度传感器的三轴加速度数据和陀螺仪的三轴角速度数据进行误差处理；
根据角速度数据从加速度数据中检测出运动静止点并以运动静止点对运动进行分段；
分别投影每段运动数据首尾静止点，滤除每段运动的重力加速度得到两段不同三轴线性加速度；
根据两段不同的线性加速度的准确性的分布特点，分配权值进行拟合，得到最终的三轴线性加速度；
输出滤除重力加速度后的三轴线性加速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于静止点检测的滤除重力加速度方法，其特征在于，所述对加速度传感器的三轴加速度数据和陀螺仪的三轴角速度数据进行误差处理，包括：使用求取均值的方法对加速度，角速度数据进行零位偏移误差处理；使用卡尔曼滤波的方法对加速度，角速度数据进行随机误差误差处理；对角速度数据使用均值滤波，减小角速度数据积分产生的积分误差。
3.根据权利要求1所述的一种基于静止点检测的滤除重力加速度方法，其特征在于，所述根据角速度数据从加速度数据中检测出运动静止点，包括：计算三轴加速度数据f_acc_x、f_acc_y、f_acc_z的合加速度t_acc，计算三轴角速度数据f_angvel_x、f_angvel_y、f_angvel_z的合角速度t_angvel；求取合加速度t_acc的极值点集；根据静止时合加速度t_acc幅值变化范围设置合加速度t_acc静止点阈值T1，根据静止时合角速度t_angvel幅值变化范围设置合角速度t_angvel静止点阈值T2；根据有效运动频率设置静止点邻域宽度；根据合加速度t_acc的静止点阈值T1以及静止点邻域的宽度在合加速度t_acc的极值点集中进行静止点检测，并以合角速度t_angvel静止点阈值T2作为判断条件进行辅助筛选。
4.根据权利要求1所述的一种基于静止点检测的滤除重力加速度方法，其特征在于，所述分别投影每段运动数据首尾静止点，滤除每段运动的重力加速度得到两段不同三轴线性加速度，包括：对每段运动的三轴角速度f_angvel_x、f_angvel_y、f_angvel_z积分得到三轴角度f_angle_x、f_angle_y、f_angle_z；把静止点处三轴加速度根据三轴角度信息利用旋转矩阵投影到运动数据段各点处实时坐标系；用三轴加速度数据减去投影来的仅受重力影响的加速度值，得到三轴线性加速度；投影开头和结尾两个静止点，分别得到整段运动的两段不同线性加速度结果p_f_lineacc、n_f_lineacc。
5.根据权利要求1所述的一种基于静止点检测的滤除重力加速度方法，其特征在于，所述根据两段不同的线性加速度的准确性的分布特点，分配权值进行拟合，得到最终的三轴线性加速度，包括：投影每段运动的段首静止点得来的线性加速度p_f_lineacc，从前往后由大到小分配权值；投影每段运动的段末静止点得来的线性加速度n_f_lineacc，从前往后由小到大分配权值；两段线性加速度对应点处权值和为1；将两段线性加速度对应点处数据乘以权值并相加，得到最终三轴线性加速度f_lineacc。
6.一种采用权利要求1至5中任一项所述的基于静止点检测的滤除重力加速度方法的加速度检测设备，其特征在于，包括数据信号输入模块、存储模块、运算模块和输出模块，所述数据信号输入模块用于采集加速度传感器的三轴加速度与陀螺仪的三轴角速度，所述存储模块用于存储输入数据、计算过程数据以及计算结果数据，运算模块用于执行预先设定的运算，所述输出模块用于输出计算结果数据和/或计算过程数据和/或输入数据。
7.据权利要求6所述的一种加速度检测设备，其特征在于，包括六轴传感器，所述六轴传感器包括固定设置在相同传感器坐标系的三轴加速度传感器与三轴陀螺仪，三轴加速度传感器与三轴陀螺仪的数据端口分别与数据信号输入模块连接。
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