CN110916677A - 一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法 - Google Patents

一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法 Download PDF

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刘家鑫
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    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1116—Determining posture transitions
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    • A61B5/1126—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb using a particular sensing technique
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Abstract

本发明公开了一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法，具体包括如下步骤：步骤1，采用惯性传感器测量人体运动状态下的加速度和角速度；步骤2，将步骤1采集的数据发送给A/D转换器，通过A/D转换器将采集到的数据转换为数字信号；步骤3，采用DSP信号处理模块对步骤2所得的数字信号进行处理；步骤4，分别对经步骤3处理后的加速度和角速度数据进行积分运算，进而得到人体当前的运动姿态。本发明解决了传统的运动捕捉方法存在的成本高及费时的问题。

Description

一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法
技术领域
本发明属于人体姿态识别技术领域，涉及一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法。
背景技术
传统的运动捕捉方式采用数码产品对人体的运动状态进行采集，此种采集方式限制了人体的运动范围，必须是人出现在采集的镜头内；如果要全方位对人体运动状态进行采集，就需要多方位布置采集设备，这样不仅成本高，而且后期对数据处理时也比较费时间；
惯性传感器是一种传感器，主要是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度(DoF)运动，是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件。
将惯性传感器应用与运动捕捉技术中，已成为目前研发人员重点研究的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法，解决了传统的运动捕捉方法存在的成本高及费时的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法，具体包括如下步骤：
步骤1，采用惯性传感器测量人体运动状态下的加速度和角速度；
步骤2，将步骤1采集的数据发送给A/D转换器，通过A/D转换器将采集到的数据转换为数字信号；
步骤3，采用DSP信号处理模块对步骤2所得的数字信号进行处理；
步骤4，分别对经步骤3处理后的加速度和角速度数据进行积分运算，进而得到人体当前的运动姿态。
本发明的特点还在于，
步骤1中，步骤1中，采用三维加速度计测量人体运动状态下的加速度；采用三轴陀螺仪测量人体运动状态下的角速度。
步骤3中，采用DSP信号处理模块对步骤2所得的数字信号进行滤波处理。
步骤3中的滤波处理采用卡尔曼滤波。
步骤4中，对加速度数据分别进行两次积分运动，得到当前人体运动时的速度和位移；
角速度数据进行一次积分运算，得到人体运动姿态的转动量，从而得到人体当前运动状态下的空间姿态。
本发明的有益效果是，本发明利用惯性传感器作为采集数据的来源，不需要构建外部其它设施，使对人体的运动状态捕捉范围不受限制。此外，惯性传感器的成本较低，降低了设备费用；同时，本发明所有的数据发送均为无线数据传输，使整个数据采集及发送过程较为流畅，不受外界因素的干扰。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法，具体包括如下步骤：
步骤1，采用惯性传感器测量人体运动状态下的加速度和角速度；
惯性传感器为三维加速度计和三维角速度计；采用三维加速度计测量人体运动状态下的三维加速度；采用三轴陀螺仪测量人体运动状态下的三维角速度，使惯性传感器具有6维自由度。
惯性传感器的采样频率为100～150Hz；
角速度计的测量范围为±200°/s；加速度计的测量范围为±10G。
惯性传感器分别在人体的双手掌心、双脚脚面、双臂臂弯、双膝膝盖、双脚脚踝处、背部及腹部。
步骤1中，采用三维加速度计测量人体运动状态下的加速度；采用三轴陀螺仪测量人体运动状态下的角速度。
所述步骤1中采集的加速度和角速度数据按照帧率确定的时间间隔，将时间间隔内的所有数据打包成一个数据；
步骤2，将步骤1采集的数据发送给A/D转换器，通过A/D转换器将采集到的数据转换为数字信号；
步骤3，采用DSP信号处理模块对步骤2所得的数字信号进行处理；
步骤3的处理过程为：首先对测量所得加速度和角速度进行抗差估计，得到抗差估计值；对抗差估计值进行INS(惯性导航系统)结算；得到人体运动的时的INS导航信息；对INS导航信息进行卡尔曼滤波处理。
INS(惯性导航系统)结算指的是INS姿态更新方法和导航更新方法。
步骤3中的抗差估计选用等价权函数，利用基于最小二乘法原理为初值的抗差估计。
步骤3进行的滤波处理为对一个数据包内的数据进行处理。
步骤3中，需要去除重力加速度对加速度数据的影响，因此，将步骤1得到的加速度数据与重力加速度求矢量和，从而去除掉加速度数据中重力加速度对加速度数据的影响，从而得到能够感应人体真实运动状态下的加速度数据。
步骤4，分别对经步骤3处理后的加速度和角速度数据进行积分运算，进而得到人体当前的运动姿态。
步骤4中，对加速度数据分别进行两次积分运动，得到当前人体运动时的速度和位移；
在空间坐标系下，对角速度数据进行一次积分运算，得到人体运动姿态的转动量，从而得到人体当前运动状态下的空间姿态。
本发明一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法的特点为，由于传统的人体姿态捕捉方式采用数码设备进行捕捉，而数码的镜头视野范围有限，因此，需要在不同方位布置多个数码设备，从而才能将人体运动状态采集完整，这样的话就使得设备的使用成本增加；本发明提供的捕捉方法，采用惯性传感器替代传统的数码设备进行人体不同部位的运动状态采集；通过对采集到的信号进行一系列数据处理，最终获取人体运动的空间姿态。
惯性传感器是专门用于测量人体运动状态的传感器，而且价格低廉，通过在人体不同部位布置不同数量的惯性传感器，获得人体运动状态下的加速度和角速度，根据对加速度和角速度数据进行处理，最后得出人体运动使的姿态信息。
本发明采用的一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法，将惯性传感器应用与人体运动状态的捕捉技术中，有效解决了传统人体运动捕捉方式存在的成本高、费时的问题，而且本发明提供的方法完全采用无线数据传输方式，无需考虑有线传输存在的环境问题。

Claims (5)

1.一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，采用惯性传感器测量人体运动状态下的加速度和角速度；
步骤2，将步骤1采集的数据发送给A/D转换器，通过A/D转换器将采集到的数据转换为数字信号；
步骤3，采用DSP信号处理模块对步骤2所得的数字信号进行处理；
步骤4，分别对经步骤3处理后的加速度和角速度数据进行积分运算，进而得到人体当前的运动姿态。
2.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法，其特征在于：所述步骤1中，采用三维加速度计测量人体运动状态下的加速度；采用三轴陀螺仪测量人体运动状态下的角速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法，其特征在于：所述步骤3中，采用DSP信号处理模块对步骤2所得的数字信号进行滤波处理。
4.根据权利要求3所述的一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法，其特征在于：所述步骤3中的滤波处理采用卡尔曼滤波。
5.根据权利要求4所述的一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉方法，其特征在于：所述步骤4中，对加速度数据分别进行两次积分运动，得到当前人体运动时的速度和位移；
角速度数据进行一次积分运算，得到人体运动姿态的转动量，从而得到人体当前运动状态下的空间姿态。
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