CN110398702B - 一种基于多传感器融合的实时在线磁校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于动作捕捉技术领域，特别涉及一种基于多传感器融合的实时在线磁校准方法，所述实时在线磁校准方法包括：实验室环境下对地磁传感器进行标定；将标定后的多个所述地磁传感器接入动作捕捉系统，实时监测多个所述地磁传感器的输出矢量；根据实时监测的所述地磁传感器的输出矢量，对所述地磁传感器进行在线磁校准，所述在线磁校准融合多个所述地磁传感器的输出数据，完成在线自主磁校准。本发明利用动作捕捉系统中的多个磁传感器，实时检测并计算当地磁场，并对地磁进行补偿修正，避免了人工对地磁传感器进行校准的步骤，有利于提高客户体验。

Description

一种基于多传感器融合的实时在线磁校准方法

技术领域

本发明属于动作捕捉技术领域，特别涉及一种基于多传感器融合的实时在线磁校准方法。

背景技术

不同的动作捕捉系统依照原理不同，系统组成也不尽相同。总体来说，动作捕捉系统通常由硬件和软件两部分构成。硬件一般包括信号发射与接收传感器、信号传输设备，以及数据处理设备等；软件一般包括系统设置、空间定位定标、运动捕捉，以及数据处理等功能模块。信号发射传感器通常位于运动物体的关键部位，例如人体的关节处，持续发出的信号由定位传感器接收后，通过传输设备进入数据处理工作站，在软件中进行运动解算，得到连贯的三维运动数据，包括运动目标的三维空间坐标、人体关节的六自由度运动参数等，并生成三维骨骼动作数据，可用于驱动骨骼动画。动作捕捉系统可应用于动画制作、步态分析、生物力学、人机工程等领域。

在动作捕捉系统中，通常采用微机电系统(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)地磁传感器来获取航向信息。如图1所示，地磁场的成因是由于地球本身具有磁性，和其它磁场一样，像一个条形磁体具有地磁南极S_m和地磁北极N_m，磁场由地磁南极S_m指向地磁北极N_m。磁场在地磁南极S_m和地磁北极N_m处垂直于地面，而在赤道平面上则平行于地面。地磁场是地球的基本物理场，地球近地空间内任意一点都具有地磁场，其强度和方向会因经度、纬度和高度的不同而不同。地磁场有着丰富的参数信息，如地磁总场、地磁三分量、磁倾角、磁偏角和地磁场梯度等。通常情况下，利用MEMS地磁传感器进行航向解算时，测得的航向是磁航向。磁北极N_m与地理上的北极N_g并不重合，他们之间存在一个偏角，叫做磁偏角。磁偏角在地球上各位置有所不同，美国每年会发布全球磁偏角的数据库。

地磁场不仅是一个随经纬度和高度变化的矢量场，地磁场分布还在随时间缓慢地变化，而且地磁场容易受到干扰，室外环境的汽车、铁塔等，或者室内的电源、线圈等，都会对地磁场产生干扰磁场，极大地影响磁航向的计算。因此，尽管MEMS地磁传感器体积小，功耗低，但用它来获取航向存在很多不便之处。例如，使用磁传感器之前，通常在不同城市，甚至同一城市不同地点，都要进行初始标定，补偿由于地磁场变化引起的误差。然而，上述MEMS地磁传感器标定，对于普通用户来说比较繁琐，难以普及。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于多传感器融合的实时在线磁校准方法，所述实时在线磁校准方法包括：

实验室环境下对地磁传感器进行标定；

将标定后的多个所述地磁传感器接入动作捕捉系统，实时监测多个所述地磁传感器的输出矢量；

根据实时监测的所述地磁传感器的输出矢量，对所述地磁传感器进行在线磁校准，

所述在线磁校准融合多个所述地磁传感器的输出数据，完成在线自主磁校准。

进一步的，所述实验室环境下对地磁传感器进行标定包括：

针对单个所述地磁传感器，在空间中采集多个方向的原始地磁矢量；

对所述原始地磁矢量进行最小二乘法椭球拟合，计算每个所述地磁传感器的初始校准参数；

利用所述初始校准参数，对每个所述地磁传感器的输出矢量进行离线校准。

进一步的，所述地磁传感器接入动作捕捉系统包括：

在所述动作捕捉系统中，多个所述地磁传感器安装在人体的不同关节处。

进一步的，所述实时监测所述地磁传感器的输出矢量包括：

实时采集所述动作捕捉系统中不同姿态的所述地磁传感器的输出；

根据不同姿态的所述地磁传感器的输出，判断当地磁场分布是否出现异常；

当超过半数的所述地磁传感器的三轴输出的模值不为1时，判定当地磁场分布异常，启动所述在线磁校准；

当少于或等于半数的所述地磁传感器的三轴输出的模值不为1时，判定当地磁场分布正常，不启动所述在线磁校准。

进一步的，所述在线磁校准包括：

对不同姿态的所述地磁传感器的输出进行最小二乘法椭球拟合，计算不同姿态的所述地磁传感器共同的实时校准参数；

利用所述实时校准参数，对不同姿态的所述地磁传感器进行实时在线校准。

进一步的，所述原始地磁矢量为空间中9个方向的原始地磁矢量。

进一步的，所述不同姿态的地磁传感器至少是4个。

进一步的，在所述动作捕捉系统中，当人体转动关节时，所述不同姿态的地磁传感器小于4个。

进一步的，所述离线校准的方法为：校准后的地磁矢量H_k校准等于(H_k–B0_k)×svd(M0_k)，其中，H_k校准、H_k、M0_k、B0_k分别表示第k个地磁传感器的校准后的地磁矢量、校准前的地磁矢量、初始校准正定矩阵、初始校准三轴零偏，svd()表示奇异值分解。

进一步的，所述实时在线校准的方法为：校准后的地磁矢量H_k校准等于(H_k–B)×svd(M)，其中，H_k校准、H_k、M、B分别表示第k个地磁传感器的校准后的地磁矢量、校准前的地磁矢量、实时校准正定矩阵、实时校准三轴零偏，svd()表示奇异值分解。

本发明利用动作捕捉系统中的多个磁传感器，实时检测并计算当地磁场，并对地磁进行补偿修正，避免了人工对地磁传感器进行校准的步骤，有利于提高客户体验。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了地磁场分布示意图；

图2示出了本发明实时在线磁校准方法的流程图；

图3示出了本发明地磁传感器实验室校准与在线校准的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在无误差干扰的条件下，地磁传感器的输出矢量H_k＝[X_k Y_k Z_k]^T(k表示第K个地磁传感器)等于该位置的磁场矢量，包含沿x、y、z三轴分量。若将地磁传感器任意旋转，磁场矢量的轨迹可以描述成一个正球面，其半径等于当地的地磁场强度标量。经归一化后，可以认为地磁传感器输出为一个单位球，即H_k ^T*H_k＝1。

在自身误差和环境干扰误差的影响下，地磁传感器输出矢量位于一个椭球面上，椭球方程的系数是地磁传感器误差系数的函数。此时，需要对地磁传感器误差进行校准，以降低或消除自身误差或环境干扰误差对地磁传感器的不良影响，使地磁传感器输出还原为一个单位球面。

假设地磁传感器输出的第k组地磁矢量为H_k＝[X_k Y_k Z_k]^T，其中k＝1,2,…,n。为了对地磁传感器误差进行校准，引入校准参数M和B，使地磁传感器输出还原为一个单位球面，即式(1)成立。

(H_k-B)^TM(H_k-B)＝1 (1)

其中，M为3*3的正定矩阵，包含旋转和放大倍数信息；B为3*1的矢量[B_x B_y B_z]^T，表示x、y、z三轴零偏，即理想磁感应强度为0时地磁传感器的输出。

将(1)式展开得椭球方程：

aX²+bY²+cZ²+2fXY+2gXZ+2hYZ+2pY+2qY+2rZ-1＝0 (2)

定义椭球方程系数矢量为：

C＝[a b c f g h p q r]^T

对于第k组数据

则有式(4)：

为了实现对地磁传感器的误差校准，首先需要计算椭球方程的系数矢量C，可以利用地磁传感器在不同方位的输出数据通过最小二乘法进行椭球拟合得到，进而计算校准参数M和B；然后，根据椭球方程的系数M和B对地磁传感器进行校准，校准方法为H_k校准＝(H_k-B)×svd(M)，即地磁传感器的输出矢量校准前为H_k，校准后为(H_k-B)×svd(M)。其中，svd()表示奇异值分解，奇异值分解是线性代数中一种重要的矩阵分解。

本发明提供了一种基于多传感器融合的实时在线磁校准方法，如图2所示，主要包括如下步骤。

步骤一：实验室环境下对地磁传感器进行标定。

在实验室环境下，对单个地磁传感器分别进行人工离线标定(离线是指地磁传感器未接入动作捕捉系统)，获取每个地磁传感器的初始校准参数M0、B0。具体的，如图3所示，针对单个地磁传感器，在空间中采集至少9个方向的原始地磁矢量，记作H_i，H_i表示第i个方向的磁向量。对H_i进行最小二乘法椭球拟合，解得椭球方程系数矢量C。因为椭球方程系数矢量C有9个未知数，所以至少9个方向的地磁矢量才能求解椭球方程系数矢量C。根据上述式(1)和式(2)，进而计算地磁传感器校准参数M和B，即初始校准参数M0、B0。

具体的，假设H_i(i＝1,2,3…,n)为某一个地磁传感器在三维空间中n(n≥9)个姿态的输出矢量，它们构成待拟合的输出矢量样本点，由上述式(3)可得H_i对应的β_i(i＝1,2,3…,n)，根据最小二乘法原理和式(4)，设目标函数为：

其中，C＝[a b c f g h p q r]^T。当目标函数f的值最小时，椭球方程系数矢量C为最佳估计值，即参数a,b,c,f,g,h,p,q,r的值为最佳估计值，则由椭球方程系数矢量C获得的初始校准参数M0、B0也为最佳估计值。

根据单个地磁传感器初始校准参数M0、B0，对每个地磁传感器的输出矢量H_k进行校准，且每个地磁传感器的校准参数不同。示例性的，第1个地磁传感器的校准参数为M0₁、B0₁，第2个地磁传感器的校准参数为M0₂、B0₂，第N个地磁传感器的校准参数为M0_N、B0_N。具体的，针对第k个地磁传感器，将原输出矢量H_k校准为H_k校准＝(H_k–B0_k)×svd(M0_k)。

对每个传感器校准后，其三轴输出位于一个单位球面上。经过实验室标定步骤后，可认为所有传感器完全等效，即传感器经修正后，在相同输入的情况下，会有相同的输出。因而不同地磁传感器的输出，可看作是同一个传感器在不同姿态下的输出。

步骤二：将标定后的多个地磁传感器接入动作捕捉系统，实时监测多个地磁传感器的输出矢量。

在实验室环境下对地磁传感器进行人工离线标定后，将多个地磁传感器接入动作捕捉系统，实时监测地磁传感器的输出矢量H_k。当发现超过半数的地磁传感器的三轴输出不在单位球面上时，即三轴输出的模值不为1，判定当地磁场分布异常，即本地的磁场与实验室标定时的磁场出现较大差异，应启动在线磁校准方法。

示例性的，在动作捕捉系统中接入12个地磁传感器，实时监测12个地磁传感器的输出矢量H_k(k＝1,2,…,12)。某一时刻，实时监测到12个地磁传感器中的3个传感器的三轴输出模值大于1，即

2个传感器的三轴输出模值小于1，即

其它大部分地磁传感器三轴输出模值等于1，即

则判定当地磁场分布正常，不会启动在线磁校准方法。

示例性的，在动作捕捉系统中接入12个地磁传感器，实时监测12个地磁传感器的输出矢量H_k(k＝1,2,…,12)。某一时刻，实时监测到12个地磁传感器中的5个传感器的三轴输出模值大于1，即

3个传感器的三轴输出模值小于1，即

其它4个地磁传感器三轴输出模值等于1，即

则判定当地磁场分布异常，启动在线磁校准方法。

步骤三：根据实时监测的地磁传感器的输出矢量，对地磁传感器进行在线磁校准。

如果在步骤二中实时监测到大部分地磁传感器的三轴输出不在单位球面上时，对实验室校准后的地磁传感器在动作捕捉系统中启动基于多传感器融合的在线磁校准。基于多传感器融合的在线磁校准是融合多个地磁传感器的输出数据，无需人工干预的情况下，完成在线自主磁校准，它是本发明重点关注的内容。

假设动作捕捉系统中，N个地磁传感器安装在人体的不同关节处，因而不同传感器摆放姿态具有随机性，即不同地磁传感器姿态不同。考虑到每个地磁传感器的等效性，可认为在每一时刻，可以获得N个不同姿态的地磁传感器输出，由此构成基于多传感器融合的磁校准方法。

N个不同姿态的地磁传感器输出构成N组地磁矢量，利用最小二乘法进行椭球拟合，可以获得当地的磁特性，完成对地磁传感器实时补偿。

具体的，N个不同姿态的地磁传感器的输出构成N组地磁矢量H_k(k＝1,2,3…,N)，对H_k进行最小二乘法椭球拟合，解得椭球方程系数矢量C。因为椭球方程系数矢量C有9个未知数，所以至少9个方向的地磁矢量才能求解得到椭球方程系数矢量C。根据上述式(1)和式(2)，由椭球方程系数矢量C进而实时在线计算地磁传感器校准参数M和B。

具体的，假设H_k(k＝1,2,3…,N)为三维空间中N(N≥9)个地磁传感器的输出矢量，它们构成待拟合的输出矢量样本点，由上述式(3)可得H_k对应的β_k(k＝1,2,3…,N)，根据最小二乘法原理和式(4)，设目标函数为：

其中，C＝[a b c f g h p q r]^T。当目标函数f的值最小时，椭球方程系数矢量C为最佳估计值，即参数a,b,c,f,g,h,p,q,r的值为最佳估计值，则由椭球方程系数矢量C获得的实时在线校准参数M、B也为最佳估计值。

在对地磁传感器进行在线磁校准过程中，考虑到每个传感器有三个轴，每个轴有3个自由度，每个轴对应4个参数，即：1个三轴零偏B，3个与轴相关的影响因子，则每个传感器有3个地磁矢量输出，当有4个地磁传感器处于不同姿态时，可以获取12个地磁矢量输出，利用上述最小二乘法椭圆拟合计算椭球方程系数矢量C(包含9个未知数)，实时完成磁校准。如处于不同姿态的传感器小于4个，需要人体做一些运动幅度比较大的动作，比如踢腿、伸展手臂等转动关节的动作，使得各关节的地磁传感器姿态变化较大，等效于存在多个地磁传感器，利用此时的数据，同样能够完成在线校准的工作。

如图3所示，根据每个地磁传感器实时在线校准参数M、B，对每个地磁传感器的输出矢量H_k进行校准，且每个地磁传感器的校准参数均相同，都是M、B。示例性的，第1个地磁传感器的校准参数是M、B，第2个地磁传感器的校准参数也是M、B，第N个地磁传感器的校准参数仍是M、B。具体的，针对第k个地磁传感器，将原输出矢量H_k校准为H_k校准＝(H_k–B)×svd(M)。

综上所述，本发明在动作捕捉系统中对地磁传感器进行在线磁校准之前，地磁传感器应已完成了前期的实验室离线标定工作，离线标定用于标定当地的磁场，校准后的地磁传感器输出位于单位球面上。在线磁校准利用动作捕捉系统中的多个磁传感器，实时检测并计算当地磁场，并对地磁进行补偿修正，避免了人工对地磁传感器进行校准的步骤，有利于提高客户体验。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于多传感器融合的实时在线磁校准方法，其特征在于，所述实时在线磁校准方法包括：

实验室环境下对地磁传感器进行标定；

将标定后的多个所述地磁传感器接入动作捕捉系统，实时监测多个所述地磁传感器的输出矢量；

根据实时监测的所述地磁传感器的输出矢量，对所述地磁传感器进行在线磁校准，所述实时监测所述地磁传感器的输出矢量包括：实时采集所述动作捕捉系统中不同姿态的所述地磁传感器的输出；根据不同姿态的所述地磁传感器的输出，判断当地磁场分布是否出现异常；当超过半数的所述地磁传感器的三轴输出的模值不为1时，判定当地磁场分布异常，启动所述在线磁校准；当少于或等于半数的所述地磁传感器的三轴输出的模值不为1时，判定当地磁场分布正常，不启动所述在线磁校准；

所述在线磁校准融合多个所述地磁传感器的输出数据，完成在线自主磁校准。

2.根据权利要求1所述的实时在线磁校准方法，其特征在于，所述实验室环境下对地磁传感器进行标定包括：

针对单个所述地磁传感器，在空间中采集多个方向的原始地磁矢量；

对所述原始地磁矢量进行最小二乘法椭球拟合，计算每个所述地磁传感器的初始校准参数；

利用所述初始校准参数，对每个所述地磁传感器的输出矢量进行离线校准。

3.根据权利要求1所述的实时在线磁校准方法，其特征在于，所述地磁传感器接入动作捕捉系统包括：

在所述动作捕捉系统中，多个所述地磁传感器安装在人体的不同关节处。

4.根据权利要求1所述的实时在线磁校准方法，其特征在于，所述在线磁校准包括：

对不同姿态的所述地磁传感器的输出进行最小二乘法椭球拟合，计算不同姿态的所述地磁传感器共同的实时校准参数；

利用所述实时校准参数，对不同姿态的所述地磁传感器进行实时在线校准。

5.根据权利要求2所述的实时在线磁校准方法，其特征在于，所述原始地磁矢量为空间中9个方向的原始地磁矢量。

6.根据权利要求1所述的实时在线磁校准方法，其特征在于，所述不同姿态的地磁传感器至少是4个。

7.根据权利要求1所述的实时在线磁校准方法，其特征在于，在所述动作捕捉系统中，当人体转动关节时，所述不同姿态的地磁传感器小于4个。

8.根据权利要求2或5所述的实时在线磁校准方法，其特征在于，所述离线校准的方法为：校准后的地磁矢量H_k校准等于(H_k–B0_k)×svd(M0_k)，其中，H_k校准、H_k、M0_k、B0_k分别表示第k个地磁传感器的校准后的地磁矢量、校准前的地磁矢量、初始校准正定矩阵、初始校准三轴零偏，svd()表示奇异值分解。

9.根据权利要求4所述的实时在线磁校准方法，其特征在于，所述实时在线校准的方法为：校准后的地磁矢量H_k校准等于(H_k–B)×svd(M)，其中，H_k校准、H_k、M、B分别表示第k个地磁传感器的校准后的地磁矢量、校准前的地磁矢量、实时校准正定矩阵、实时校准三轴零偏，svd()表示奇异值分解。

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