CN113566857A - 基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法 - Google Patents
基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法，属于光纤传感以及姿态识别技术领域。所述姿态识别方法放置传感器于被检测关节处，记录关节位置与传感器反射波长对应关系；宽带光经光纤耦合器进入各柔性传感器支路，再依次进行两次光强衰减、一次反射，进入光纤光谱解调设备，该设备采集各传感器的反射光波长与强度信息；波长和光强信息进行解耦和分离；光的强度平滑、去抖动；依据光强信息，推算出对应关节弯曲角度的方向和大小；绘制人体的骨骼模型得到姿态信息；所述方法使用光纤复合柔性传感器解决了传统电学传感器因材料导致的穿戴不便和易受电磁干扰的问题；解决了光纤分布式传感系统不能用于需要大应变测量人体姿态检测场景的问题。
Description
技术领域
本发明涉及基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法，尤其涉及一种分布式光纤柔性传感用于人体姿态的识别方法，属于光纤传感以及姿态识别技术领域。
背景技术
近年来，随着人机交互、医疗健康、虚拟现实和增强现实(VR/AR)等领域飞跃式的发展对于人体姿态的信息的运用越来越广泛。
目前，人体姿态识别的方法主要有利用机器视觉，在图像处理中通过标记特征点结合识别算法方法来识别人体姿态。随着图像处理技术的不断创新使得利用机器视觉来识别人体姿态的方法具有的良好的实时性和高的准确率，但同时也存在明显的局限性，如下：
(1)采集图像时场景的光线对识别结果产生影响，成像效果不好会导致图像识别效果下降。
(2)摄像头在采集图像时可能会存在信息过采集，存在隐私问题，在特殊情况下不能采用该方法进行采集。
(3)图像采集受到摄像头固定安装位置的影响，对人体姿态的采集有区域的局限性，不能全方位的识别人体姿态。
以上问题都是基于摄像头的机器视觉来识别人体姿态过程中图像处理中不可避免的问题。例如在健康监测过程中出现的环境视线遮挡、夜间实时监测等。
近年来，基于石英玻璃的分布式光纤传感器系统已经在需要微小拉伸或者不拉伸的系统中得到广泛应用，比如对应变、压力、振动、加速度、温度和湿度传感。为了克服石英光纤的不可拉伸性，研究者们对此已经作了很多的工作，也已经开发出很多种类的可伸缩传感器。但，研究者通常关注于具有可承受大应变和重复变形的光波导材料。由于传统二氧化硅光纤具有体积小，方便大规模集成，价格便宜，配套设施市场成熟等优点也一直受到人们的关注。因此，使用其作为柔性传感元件有较大的前景。同时，柔性传感元件在人体姿态识别等人机交互领域表现出区别于机器视觉的优势，解决了利用机器视觉存在的场景光照、隐私和视线遮挡等局限性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有分布式光纤传感系统存在的在人体姿态等需要较大应变测量的场景中的不足，提出了基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：
基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法依托的姿态识别系统，包括基于光纤复合柔性传感器、终端处理及显示设备、光纤光谱解调设备、光纤耦合器以及数字信号采集卡；
光纤复合柔性传感器，即柔性传感器，包括光纤布拉格光栅以及光纤应变传感模块；
所述光纤光谱解调设备，内置有宽带光源和用于探测光纤光栅反射光波长和强度的光电探测器；所述光纤应变传感模块与光纤布拉格光栅串联，该光纤应变传感模块给光纤预留了拉伸，该模块置于光纤光栅与光纤耦合器中间，靠近光纤光栅，由弯曲的光纤凝固在硅胶中组成；
其中，光纤弯曲的曲率半径为1cm到2cm；光纤布拉格光栅，即FBG；该柔性传感器的数量大于1；终端处理及显示设备、光纤光谱解调设备、光纤耦合器、数字信号采集卡、光纤布拉格光栅以及光纤应变传感模块的数量为1；
所述姿态识别系统中各组成部件的连接关系如下：
光纤光谱解调设备分别与光纤耦合器和数字信号采集卡相连；数字信号采集卡与终端处理及显示设备相连，光纤耦合器分别与光纤光谱解调设备和光纤应变传感模块相连；光纤应变传感模块分别与光纤布拉格光栅以及光纤耦合器相连；光纤耦合器的一端与多个柔性传感器相连，另一端与光纤光栅解调仪相连；所述柔性传感器中的光纤布拉格光栅与光纤耦合器相连；
所述姿态识别系统中各组成部件的功能如下：
光纤耦合器将多路光束耦合成一路，实现光路的复用；数字信号采集卡用于将解调仪输出信号数字化传递给终端处理及显示设备；光纤布拉格光栅用于定位，具体为：依据光栅特定波长与位置的一一对应关系来确定位置的；光纤应变传感模块用于传递应变发生的大小和方向。
所述人体姿态识别方法，包括如下步骤：
步骤1、分别将各个光纤复合柔性传感器分布式放置在需要检测的关节处；
其中，光纤复合柔性传感器的个数与需要检测的关节数目相同，记为N；
步骤2、记录下步骤1需要检测的关节位置与对应光栅反射波长之间的关系；
步骤3、光纤光谱解调设备中光源发出的宽带光，通过光纤耦合器分别进入不同的柔性传感器支路；
其中，光源为宽带光源；
步骤4、进入支路的光通过光纤应变传感模块发生第一次光强衰减，输出第一次光强衰减后的光；
其中，支路的数量，与光纤复合柔性传感器以及需要检测的关节数目相同；
步骤5、经步骤4输出的第一次光强衰减后的光经过FBG，将波长满足布拉格条件的光形成后向反射，将不满足布拉格条件波长的光透射出去；
步骤6、后向反射的光经过光纤应变传感模块形成第二次衰减，从光纤应变传感模块出来的光通过光纤耦合器与其他N-1个支路反射的光合成一束共同传入光纤光谱解调设备进行解调，输出携带光强及波长信息的模拟信号；
步骤7、光纤光谱解调设备将步骤6解调出来的携带光强及波长信息的模拟信号接入数字采集卡，数字采集卡将对应的模拟信号转换成数字信号；
步骤8、数字采集卡将步骤7转换的数字信号接入终端处理及显示设备，在终端处理及显示设备上通过软件观察光的波长和光强信息；
步骤9、终端处理及显示设备上将光的波长和光强信息进行解耦和分离，得到随时间波动的光强信息；
步骤10、终端处理及显示设备将随时间波动的光强信息做低通滤波处理，滤除高频抖动，输出滤波后的光强信息；
步骤11、依据步骤10输出的滤波后的光强信息，推算对应关节弯曲角度的方向和大小数据；
步骤12、将基于关节弯曲方向和大小的数据与步骤2记录的关节位置与波长关系数据进行组合，绘制所述目标人体的骨骼模型得到姿态信息。
有益效果
本发明基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法，相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：
1.所述基于光纤传感器阵列的人体姿态识别方法提供一种基于光纤传感的方式，解决现有技术中的可穿戴设备进行人体姿态测量时设备的由于传感器的材料导致的穿戴不便和在电磁环境复杂中的易受电磁干扰的问题；
2.所述方法解决了现有技术中的光纤分布式传感系统不能用于需要大应变测量的人体姿态检测的场景中来的问题；
3.所述方法可应用在需要进行人机交互的系统中，或者对人体进行姿态检测的系统中；
4.所述方法具有良好的柔性和高灵敏度，通过配合其他设备可广泛应用于可穿戴设备中去。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍说明；
图1为本发明基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法依托系统的结构示意图；
图2为本发明基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法依托系统中的光纤复合柔性传感器结构示意图；
图3为本发明基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法依托系统中光纤应变传感模块结构示意图；
图4为本发明光纤应变传感模块应变过程中接收端光强随着弯曲曲率的变化图；
图5为本发明基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法进行详细阐述。
实施例1
所述方法依托系统中的硅胶材料具有弹性模量低、可拉伸性好、变形能力良好的特点。这些优良的机械性能(拉伸，弯曲和扭曲)满足了在符合人体工程学的同时又实现了实时多功能智能传感。使得它在人机交互、医疗健康、机器人触觉、等应用领域具有比刚性传感器更大的优势。
例如，在健康检测领域，可以将其应用到人体呼吸频率测量中去，在这个过程中，只需要一个柔性传感器，将柔性传感器放置在胸腔上，使用固定长度的布带将柔性传感器两端固定，然后让布条将人体胸腔围起来。然后在终端处理及显示设备就可以看到光强随着每一次呼吸而变化。
例如，将其应用人机交互手势识别中去，在这个过程中，只需要提前定义好几种手势，通过将柔性传感器布置在手指关节处，通过检测手指关节应变来识别手势，当手指关节变化时表现为在终端处理及显示设备中光强的变化，在这个过程中只需要将提前定义好手势，记录手指关节与柔性传感器的对应关系，便可建模还原手势，完成人机交互。
例如，将其应用到机器触觉中，将光纤柔性传感器放在放置模型手的手指尖，当手指尖往下用力按压物体时，由于物体具有一定的硬度，不同硬度的物体由于引起其形变所需的力的大小不一样，通过终端处理及显示设备中光强的变化可以推测出一些较为柔软的物体的硬度。
所述人体姿态识别方法具体实施时，将传感器放置于被检测关节处，记录关节位置与传感器反射波长对应关系；宽带光经光纤耦合器进入各柔性传感器支路，再依次进行两次光强衰减、一次反射，进入光纤光谱解调设备，该设备采集各传感器的反射光波长与强度信息；波长和光强信息进行解耦和分离；光的强度平滑、去抖动；依据光强信息，推算出对应关节弯曲角度的方向和大小；绘制人体的骨骼模型得到姿态信息；所述方法使用光纤复合柔性传感器解决了传统电学传感器因材料导致的穿戴不便和易受电磁干扰的问题；解决了光纤分布式传感系统不能用于需要大应变测量人体姿态检测场景的问题。
下面以将柔性传感器引用到人体姿态识别为例，详细介绍工作和实施过程。
本实施中的宽带光源平均光强为2.4uW，波长范围为1530-1560nm，FBG反射光的3dB带宽为0.1nm；
其中，FBG反射光的3dB带宽决定了最多可同时接入的FBG的个数，个数可用宽带光源的带宽除以FBG反射光的带宽。FBG最多可接入个数决定传感器的最大密度；
本实施例中的光纤光谱解调设备即光纤光栅解调仪；
如图1所示，从光纤光栅解调仪中的光源出来的光通过光纤跳线连接到光纤耦合器一端，光纤耦合器另一端通过光纤跳线与多个柔性传感器连接在一起；
本实施例中终端处理及显示设备即计算机；
光纤光栅解调仪与数字采集卡相连，数字采集卡与计算机相接，实现将解调的光强度和波长信息传递到计算机，用于实时显示和处理。
光纤耦合器既当了分束器与合束器的作用，当光从光源向传感器传播时充当分束器，而反射光反向传输时充当合束器。
其中，如图2所示，柔性传感器由应变传感模块与FBG组成，应变传感模块的另一端通过光纤跳线与FBG连在一起；
不同的FBG反射特定波长的光可用于位置标记；光的强度代表着应变导致的弯曲的曲率；曲率与强度的关系可通过事前的测量标定；
先经过应变传感模块再经FBG反射回来的光将携带应变发生的位置以及应变的大小信息；
本发明中，应变传感模块与FBG分开；
其中，FBG只有较低的抗横向应力，因此，不能和应变传感模块混在一起，由于应变传感模块与FBG之间通过光纤直连，无大角度弯曲，忽略产生的光损耗；
由于FBG只反射固定某一波长的，通过光纤耦合器耦合形成波分复用，因此，传感器不会受其他传感器的使用状态的干扰，可方便维护并且只需要一个解调仪即可。
如图5所示，基于上述基于光纤复合柔性传感器即柔性传感器，本实施例提供了一种人体姿态检测方法。本实施中第一步确定需要检测的部位；第二步将使用长光纤将柔性传感器与耦合器连接起来；本实施例中是将各个柔性传感放置手腕、手肘、臂膀处来检测人体姿态，将传感器中的应变传递模块使用硅胶专用胶水与衣物粘贴，由于光纤的对光强的损耗几乎不受人体温度的影响，同时当光纤弯曲曲率较小(曲率半径小于10cm)时，光纤的弯曲损耗可以忽略不计，因此有较高的弯曲容错性；
第三步、记录下FBG反射光波长与传感器位置的对应关系；
第四步、将利用软件编程分别显示不同波长的光其光强随动作变化时的变化；
第五步、对变化的强度信息做低通滤波处理避免由于外界干扰对光强造成的波动，提升系统的稳定性；
第六步、结合预先标定的传感器强度与传感器弯曲程度的关系，如图4所示，反演出关节的弯曲程度；
第七步、利用已知弯曲发生的位置信息和弯曲的大小，利用软件编程实时完成动作的重建。
至此，经过第一步到第七步完成了本实施例中的人体姿态检测方法。
现有的分布式光纤传感器无法应用于大应变测量中，而本申请所述方法依托系统中的光纤应变传感模块中包含硅胶以及光纤，且光纤以一定曲率弯曲。该光纤应变传感模块给光纤预留了拉伸。具体到本实施例，曲率半径是1cm。如图3所示，光纤应变传感模块有弯曲的光纤和硅胶凝固在一起。如图4所示，当硅胶受到应变时，弯曲的光纤的曲率变大或者变小。当光纤曲率变大时，光纤作为光波导使得光的模式泄露加重，反映的是接收到的光强变弱，相反，当光纤曲率变小时，光纤作为光波导使得光的模式泄露减弱，反映的是接收到的光强变强。
此外，本发明所述方法依托系统中的光纤布拉格光栅用于定位，与现有光纤复合柔性传感器中使用的光纤布拉格光栅作用不同，现有光纤布拉格光栅既用于应变传感和定位两者合一的功能。这种二合一功能，在某种特定场景，例如测量铁轨震动以及建筑物变形的微小形变场景比较适用。而本申请主要应用于大应变测量场景，这种场景下，现有光纤布拉格光栅若依然使用应变传感和定位两者合一功能，则会使得该测量元件：光纤布拉格光栅绷断，继而导致无法使用，因此，本发明创新性的使用光纤布拉格光栅仅进行定位，即依据光栅特定波长与位置的一一对应关系来确定位置的；而将应变功能拆分出来给光纤应变传感模块，用该光纤应变传感模块传递应变发生的大小和方向。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是,在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下,本发明可以以其他形式、结构、布置、比例,以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。
Claims (9)
1.基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法，其特征在于：依托的姿态识别系统，包括基于光纤复合柔性传感器、终端处理及显示设备、光纤光谱解调设备、光纤耦合器及数字信号采集卡；
光纤复合柔性传感器，即柔性传感器，包括光纤布拉格光栅及光纤应变传感模块；
所述光纤光谱解调设备，内置有宽带光源和用于探测光纤光栅反射光波长和强度的光电探测器；所述光纤应变传感模块与光纤布拉格光栅串联，置于光纤光栅与光纤耦合器中间，靠近光纤光栅，由弯曲的光纤凝固在硅胶中组成；
光纤布拉格光栅，即FBG；
所述姿态识别系统中各组成部件的连接关系如下：
光纤光谱解调设备分别与光纤耦合器和数字信号采集卡相连；数字信号采集卡与终端处理及显示设备相连，光纤耦合器分别与光纤光谱解调设备和光纤应变传感模块相连；光纤应变传感模块分别与光纤布拉格光栅以及光纤耦合器相连；光纤耦合器的一端与多个柔性传感器相连，另一端与光纤光栅解调仪相连；所述柔性传感器中的光纤布拉格光栅与光纤耦合器相连；
所述人体姿态识别方法，包括如下步骤：
步骤1、分别将各个光纤复合柔性传感器分布式放置在需要检测的关节处；
步骤2、记录下步骤1需要检测的关节位置与对应光栅反射波长之间的关系；
步骤3、光纤光谱解调设备中光源发出的宽带光，通过光纤耦合器分别进入不同的柔性传感器支路；
步骤4、进入支路的光通过光纤应变传感模块发生第一次光强衰减，输出第一次光强衰减后的光；
步骤5、经步骤4输出的第一次光强衰减后的光经过FBG，将波长满足布拉格条件的光形成后向反射，将不满足布拉格条件波长的光透射出去；
步骤6、后向反射的光经过光纤应变传感模块形成第二次衰减，从光纤应变传感模块出来的光通过光纤耦合器与其他N-1个支路反射的光合成一束共同传入光纤光谱解调设备进行解调，输出携带光强及波长信息的模拟信号；
步骤7、光纤光谱解调设备将步骤6解调出来的携带光强及波长信息的模拟信号接入数字采集卡，数字采集卡将对应的模拟信号转换成数字信号；
步骤8、数字采集卡将步骤7转换的数字信号接入终端处理及显示设备，在终端处理及显示设备上通过软件观察光的波长和光强信息；
步骤9、终端处理及显示设备上将光的波长和光强信息进行解耦和分离，得到随时间波动的光强信息；
步骤10、终端处理及显示设备将随时间波动的光强信息做低通滤波处理，滤除高频抖动，输出滤波后的光强信息；
步骤11、依据步骤10输出的滤波后的光强信息，推算对应关节弯曲角度的方向和大小数据；
步骤12、将基于关节弯曲方向和大小的数据与步骤2记录的关节位置与波长关系数据进行组合，绘制所述目标人体的骨骼模型得到姿态信息。
2.根据权利要求1所述的基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法，其特征在于：依托的姿态识别系统中光纤耦合器将多路光束耦合成一路，实现光路的复用。
3.根据权利要求2所述的基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法，其特征在于：依托的姿态识别系统中数字信号采集卡用于将解调仪输出信号数字化传递给终端处理及显示设备。
4.根据权利要求3所述的基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法，其特征在于：光纤布拉格光栅用于定位，具体为：依据光栅特定波长与位置的一一对应关系来确定位置的；光纤应变传感模块用于传递应变发生的大小和方向。
5.根据权利要求4所述的基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法，其特征在于：依托的姿态识别系统中的柔性传感器的数量大于1。
6.根据权利要求5所述的基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法，其特征在于：依托的姿态识别系统中的终端处理及显示设备、光纤光谱解调设备、光纤耦合器、数字信号采集卡、光纤布拉格光栅以及光纤应变传感模块的数量为1。
7.根据权利要求6所述的基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法，其特征在于：步骤1中，光纤复合柔性传感器的个数与需要检测的关节数目相同。
8.根据权利要求7所述的基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法，其特征在于：步骤3中，光源为宽带光源。
9.根据权利要求8所述的基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法，其特征在于：步骤4中支路的数量与光纤复合柔性传感器以及需要检测的关节数目相同。
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