CN111307173B - 一种基于交变电磁场定位与惯性传感器互相校准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交变电磁场定位与惯性传感器互相校准的方法，所述方法包括：人体姿态获得系统中其中一类电磁场辐射器与惯性传感器对应，该类电磁场辐射器与惯性传感器同时获得目标的位移信息；基于人体姿态获得系统，获得该类电磁场辐射器相对于另一类电磁场辐射器的角度信息；利用上述角度信息，对惯性传感器获得的目标水平方向上的角度信息进行校准；将惯性动作捕捉装置与交变电磁场位置计算系统进行结合，用交变电磁场位置计算系统与惯性6轴传感器角度计算互相校准，用前者计算得到的其中一个方向角度信息替代地磁计，使惯性6轴传感器获得长期稳定的校准依据，解决了各自存在的问题。

Description

一种基于交变电磁场定位与惯性传感器互相校准的方法

技术领域

本发明涉及人体动作捕捉领域，具体地，涉及一种基于交变电磁场定位与惯性传感器互相校准的方法。

背景技术

目前的人体动作捕捉技术主要有：

第一种为动作捕捉，如摄像头动作捕捉技术，存在怕光线干扰、怕遮挡的缺陷；

第二种为惯性动作捕捉装置，如抗金属干扰惯性动作捕捉正在，存在精度随时间漂移，不能长时间使用的问题；

第三种为外置式电磁场捕捉，如电磁捕捉装置，存在必须在外置天线系统作用距离内使用，非常容易受干扰的问题；

第四种为穿戴式电磁场捕捉，如基于人体穿戴的电磁捕捉技术，如专利CN201711258283.X，存在受到皮肤伪影等因素的影响，对小尺度上的旋转测量精度下降的问题；在该专利中由于是以测量marker之间的相对距离和角度变化来计算动作的，由于人体皮肤是一个弹性曲面，在骨骼移动的同时，marker所在的位置也受到皮肤和肌肉的拉，所以marker的距离和角度变化是皮肤和骨骼运动的叠加，当骨骼运动尺度比较小的时候，皮肤拉扯带来的影响就会变大，而且这种影响往往是使得测试出现偏差的。

发明内容

本发明提供了一种基于交变电磁场定位与惯性传感器互相校准的方法，将惯性动作捕捉装置与交变电磁场位置计算系统进行结合，用交变电磁场位置计算系统与惯性6轴传感器角度计算互相校准，用前者计算得到的其中一个方向角度信息替代地磁计，使惯性6轴传感器获得长期稳定的校准依据，解决了各自存在的问题。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种基于交变电磁场定位与惯性传感器互相校准的方法，所述方法包括：

人体姿态获得系统中其中一类电磁场辐射器与惯性传感器对应，该类电磁场辐射器与惯性传感器同时获得目标的位移信息；

基于人体姿态获得系统，获得该类电磁场辐射器相对于另一类电磁场辐射器的角度信息；

利用上述角度信息，对惯性传感器获得的目标水平方向上的角度信息进行校准。

进一步的，本方法还包括利用惯性传感器对人体姿态获得系统中的电磁场辐射器获得的目标数据进行校准，进而弥补了人体姿态获得系统在转动角度较小时测量精度不准确的问题，具体为：

该类电磁场辐射器获得目标的位移信息包括若干方向上的位移信息，其中，包括第一至第N个方向的位移信息，N为大于等于2的正整数；其中，K方向相对于其余N-1个方向的位移量最小；

惯性传感器同时获得目标在K方向位的位移信息；

将惯性传感器获得的目标在K方向位的位移信息，作为电磁场辐射器获得的目标在K方向位的位移信息，对电磁场辐射器获得的目标位移信息进行校准。

优选的，所述方法包括：

利用人体姿态获得系统获得目标在alpha方向的位移信息A；其中，目标位移方向包括alpha和beta两个方向，alpha方向的位移量大于beta方向的位移量；

基于目标在alpha方向的位移信息A，获得目标在水平方向的角度变化分量为cos(alpha)；

将cos(alpha)输入惯性传感器计算出目标在beta位移方向的位移信息B；

基于位移信息A和B，获得目标的位移信息。

其中，本发明的利用交变电磁定位系统与惯性9轴传感器各自的测量优势，补充各自在测量上的缺点，即用交变电磁定位得到的绝对坐标对9轴传感器进行校准，延长其有效使用时间，同时用9轴传感器对相对小尺度旋转部位进行测量，得到精确的实时角度信息。此处的小尺度指整个动作的幅度小，旋转角度也小，带来marker的距离和角度变化都比较小，本申请对具体的尺寸范围不限定，可以根据实际应用进行调整，满足交变电磁定位系统与惯性9轴传感器各自测量各自适合的数据即可。

优选的，将人体姿态获得系统中的1类电磁场辐射器或2类电磁场辐射器与惯性传感器进行结合，获得结合后的复合传感器，将复合传感器固定在目标上。

优选的，1类电磁场辐射器或2类电磁场辐射器安装在惯性传感器的底座上。

本申请的目的是使得人体姿态获得系统中的1类电磁场辐射器或2类电磁场辐射器与惯性传感器同时对目标的位移进行测量，至于具体的结合形式不做具体的限定，二者能够对同一目标进行测量即可，具体的结合方式或固定方式或连接方式不做具体的限定。

优选的，将cos(alpha)输入惯性传感器计算出目标在beta位移方向的位移信息B，具体包括：

基于cos(alpha)，利用惯性传感器所在点的转动角速度和加速度，对其进行积分，获得物体转过的角度和在x、y、z方向的加速度；通过陀螺仪的积分来获得3轴的旋转角度，然后通过加速度计的比例和积分运算来修正陀螺仪的积分结果。

优选的，基于位移信息A和B，获得目标的位移信息，具体包括：

最终计算输出的结果是位移信息为A’和B’：

A’＝factor1*A+factor2*B；

B’＝factor3*A+factor4*B；

其中，factor1～factor4为修正系数。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

不再需要地磁计的校准，少用一个磁力计芯片，将惯性传感器9轴减少为6轴，排除了金属干扰，并且延长了使用时间，同时也弥补了人体姿态获得系统在转动角度较小时测量精度不准确的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是某型IMU及磁力计(MPU-9150)的角度测量方向说明示意图；

图2是本申请中复合传感器示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

首先基于9轴传感器测量运动的原理，商用9轴传感器测量运动信息的过程如下：

利用惯性测量单元，即IMU(包括陀螺仪和加速度计，共6轴)测量传感器所在点的转动角速度和加速度，对其进行积分，可以得到物体转过的角度和在x、y、z方向的加速度；通过陀螺仪的积分来获得3轴的旋转角度，然后通过加速度计的比例和积分运算来修正陀螺仪的积分结果，这是6轴传感器计算旋转角度的基本方法。由于IMU本身的精度限制，在已知某个时刻的IMU初始姿态时，虽然可以通过上述计算得到之后时刻的IMU角度旋转信息，但由于噪声的存在和不断叠加，该计算结果精度越来越低。虽然可以用重力作为IMU的z方向校准依据，但是由于重力无法提供xy方向上的参考，计算精度依然会不断下降。这时传统的做法是利用地磁场提供正北方向的绝对参考(利用3轴地磁计)来校准水平方向上的角度计算信息，如图1所示。

以上过程仍然受到测量噪声的不断侵蚀，同时由于地磁计非常容易被周围的金属物体干扰，很难得到长时间稳定的测量结果(一般基于此类惯性装置的人体动作捕捉套件，可用时间不超过10分钟)。

当9轴传感器位于人体固定位置时(如脚踝)，此时本申请采用改进的方法来解决该问题，在9轴传感器芯片的底座上安放交变电磁定位天线传感器，即人体姿态获得系统中的1类电磁场辐射器或2类电磁场辐射器；通过人体姿态获得系统计算出一个偏差为delta1的角度，以该角度保证惯性传感器即IMU的积累误差上限，同时通过惯性传感器的结果对delta1进行修正，这里是一个递归的过程；过程如下，用惯性传感器计算结果theta1与人体姿态获得系统计算结果theta2各自乘以一个修正系数，再将二者相加得到一个推测值，该值更接近于真实值。

通过人体姿态获得系统可以获得该传感器相对于上级传感器天线的角度信息。将此角度信息与6轴IMU计算得到的角度信息互相修正，可以排除噪声的影响，在任意时间长度内将IMU得到的角度信息精度误差始终控制在一个可接受的范围内，不再需要地磁计的校准(少用一个磁力计芯片，将9轴减少为6轴)，也就排除了金属干扰，并且延长了使用时间，同时也弥补了交变电磁定位天线在转动角度较小时测量精度不准确的问题。

修正过程如下，如图2所示。以脚踝部的复合传感器1为例，其包括6轴IMU和交变电磁场测量天线传感器即人体姿态获得系统中的1类电磁场辐射器或2类电磁场辐射器)，该复合传感器存在alpha和beta两个旋转方向，其中alpha方向的角度由于相对位移较大，可以得到交变电磁场动作测量系统的精确测量(可以精确到0.1-0.5度)，而beta方向的旋转角度由于相对位移较小，在交变电磁场动作测量系统中精度较低。此时利用余弦函数等几何运算关系，可以计算出(即alpha的水平方向分量，由于alpha被定义为垂直面上小腿骨骼与铅垂面的夹角，所以其与水平面的夹角就是v*cos(alpha)(v是测量出来的该方向上的运动速度)该复合传感器在水平方向的角度变化分量为cos(alpha)，以此作为IMU的角度水平方向补偿依据，替代磁力线方向，重复成熟的IMU计算方法，即可获得精确的复合传感器角度运动信息，因为参考依据alpha的精度由交变电磁场计算方法保证，从而IMU获得的beta方向精度也与alpha方向的精度近似相等(由于IMU的角速度瞬时计算精度非常高故二者近似相等)。

其中，本申请中的人体姿态获得系统，包括：

多个安装在人体躯干的1类电磁场辐射器、多个安装在人体四肢的2类电磁场辐射器、处理器；1类电磁场辐射器和2类电磁场辐射器均向处理器发射电磁信号；处理器测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小,计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息；处理器基于2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，获得2类电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得2类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；处理器基于2类电磁场辐射器和1类电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得人体姿态实时信息。

其中，在本申请实施例中，电磁场辐射器和处理器均直接或间接安装在人体上；电磁场辐射器与处理器间采用有线或无线的方式进行连接。

其中，在本申请实施例中，测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，基于电压幅度与坐标的对应关系，计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息。

其中，在本申请实施例中，获得2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，具体包括：获得2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，具体包括：

当2类电磁场辐射器2H发射信号，1类电磁场辐射器2G和2F接收信号；测量出2G和2F接收的信号强度Vout2g和Vout2f；基于Vout2g和Vout2f计算出多个2H与2G的距离r和夹角θ值；基于预设约束条件对计算出的多个2H与2G的距离r和夹角θ值进行约束，获得最终2H与2G的距离r和夹角θ关系，r和θ的约束条件由电磁场辐射器安装位置对应关节的活动范围确定。

其中，在本申请实施例中，所述系统还包括：放大电路、数据采集卡、处理电路、发射波形产生电路，电磁场辐射器既作发射又作接收用,被测位置电磁场辐射器利用将发射波形产生电路生成的飞发射信号的辐射到四周形成一个局部场分布，测量位置电磁场辐射器接收该模拟信号，经放大电路放大后，由数据采集卡采集后转换为数字信号，经过处理电路数字滤波处理，进入处理器进行计算处理。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于交变电磁场定位与惯性传感器互相校准的方法，其特征在于，所述方法包括：

人体姿态获得系统中其中一类电磁场辐射器与惯性传感器对应，该类电磁场辐射器与惯性传感器同时获得目标的位移信息；

基于人体姿态获得系统，获得该类电磁场辐射器相对于另一类电磁场辐射器的角度信息；

利用上述角度信息，对惯性传感器获得的目标水平方向上的角度信息进行校准；

该类电磁场辐射器获得目标的位移信息包括若干方向上的位移信息，其中，包括第一至第N个方向的位移信息，N为大于等于2的正整数；其中，K方向相对于其余N-1个方向的位移量最小；

惯性传感器同时获得目标在K方向位的位移信息；

将惯性传感器获得的目标在K方向位的位移信息，作为电磁场辐射器获得的目标在K方向位的位移信息，对电磁场辐射器获得的目标位移信息进行校准；

利用人体姿态获得系统获得目标在alpha方向的位移信息A；其中，目标位移方向包括alpha和beta两个方向，alpha方向的位移量大于beta方向的位移量；

基于目标在alpha方向的位移信息A，获得目标在水平方向的角度变化分量为cos(alpha)；

将cos(alpha)输入惯性传感器计算出目标在beta位移方向的位移信息B；

基于位移信息A和B，获得目标的位移信息。

2.根据权利要求1所述的基于交变电磁场定位与惯性传感器互相校准的方法，其特征在于，将人体姿态获得系统中的1类电磁场辐射器或2类电磁场辐射器与惯性传感器进行结合，获得结合后的复合传感器，将复合传感器固定在目标上。

3.根据权利要求2所述的基于交变电磁场定位与惯性传感器互相校准的方法，其特征在于，1类电磁场辐射器或2类电磁场辐射器安装在惯性传感器的底座上。

4.根据权利要求1所述的基于交变电磁场定位与惯性传感器互相校准的方法，其特征在于，将cos(alpha)输入惯性传感器计算出目标在beta位移方向的位移信息B，具体包括：

基于cos(alpha)，利用惯性传感器所在点的转动角速度和加速度，对其进行积分，获得物体转过的角度和在x、y、z方向的加速度；通过陀螺仪的积分来获得3轴的旋转角度，然后通过加速度计的比例和积分运算来修正陀螺仪的积分结果。

5.根据权利要求1所述的基于交变电磁场定位与惯性传感器互相校准的方法，其特征在于，基于位移信息A和B，获得目标的位移信息，具体包括：

最终计算输出的结果是位移信息为A’和B’ ：

A’= factor1*A+factor2*B；

B’=factor3*A+factor4*B；

其中，factor1~factor4为修正系数。