DE102009031268A1

DE102009031268A1 - Analyze movements of objects

Info

Publication number: DE102009031268A1
Application number: DE102009031268A
Authority: DE
Inventors: Gerald Bieber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2011-01-13
Also published as: WO2011000519A1; EP2449345A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren von Bewegungen von Objekten, insbesondere von Gegenständen, Personen oder anderen Lebewesen, wobei Beschleunigungsmesswerte bezüglich drei orthogonal zueinander verlaufenden Achsen eines ersten Koordinatensystems (x, y, z) vorliegen und wobei: - die Beschleunigungsmesswerte (A1, A2, A3) in ein zweites Koordinatensystem (x', y', z') transformiert werden (Einrichtungen 10, 12), - für die Transformation in das zweite Koordinatensystem (x', y', z') aus den Bechleunigungsmesswerten (A1, A2, A3) die Richtung eines Gravitationsfeldes ermittelt wird, in dem die Bewegung stattfindet oder stattgefunden hat (Einrichtung 10), - die Richtung des Gravitationsfeldes als die Richtung einer ersten Achse (x') des zweiten Koordinatensystems (x', y', z') gewählt wird, - die Richtung einer zweiten Achse des zweiten Koordinatensystems (x', y', z') aus einem Vergleich der Beschleunigungsmesswerte (A1, A2, A3) oder daraus abgeleiteter Bewegungsinformation einerseits mit vorhandener Information (Speicher 11) über eine andere Bewegung oder über einen Bewegungstyp andererseits ermittelt wird.The invention relates to a method for analyzing the movements of objects, in particular of objects, people or other living beings, with acceleration measured values relating to three mutually orthogonal axes of a first coordinate system (x, y, z) being available and with: - the acceleration measured values (A1, A2 , A3) are transformed into a second coordinate system (x ', y', z ') (devices 10, 12), - for the transformation into the second coordinate system (x', y ', z') from the acceleration measurement values (A1, A2, A3) the direction of a gravitational field in which the movement is taking place or has taken place is determined (device 10), - the direction of the gravitational field as the direction of a first axis (x ') of the second coordinate system (x', y ', z ') is selected, - the direction of a second axis of the second coordinate system (x', y ', z') from a comparison of the measured acceleration values (A1, A2, A3) or movement information derived therefrom e on the one hand with existing information (memory 11) about another movement or about a movement type on the other hand

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren von Bewegungen von Objekten. Bei den Objekten handelt es sich insbesondere um Personen oder andere Lebewesen. Es kann sich bei den Bewegungsobjekten jedoch auch um Gegenstände handeln.The The invention relates to a method for analyzing movements of objects. The objects are in particular persons or other living things. However, it can be with the moving objects also act on items.

Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung zum Analysieren von Bewegungen von Objekten, ein Computerprogramm, das ausgestaltet ist, das Verfahren zum Analysieren von Bewegungen von Objekten auszuführen, wenn es auf einem Computer oder Computersystem ausgeführt wird, und einen Datenträger, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist, so dass es in den Arbeitsspeicher des Computers oder Computersystems ladbar ist oder direkt auf dem Datenträger von dem Computer oder Computersystem lesbar und ausführbar ist.The The invention further relates to a corresponding device for analyzing of movements of objects, a computer program that is designed is to carry out the method for analyzing movements of objects, when running on a computer or computer system, and a disk on which the computer program is stored is, so it's in the memory of the computer or computer system is loadable or directly on the disk of the computer or computer system readable and executable.

DE 10 2005 004 086 A1 beschreibt ein Gerät zur Ermittlung von Bewegungen. Das Gerät erfasst mittels mehrerer Bewegungssensoren die Bewegungen im Raum. Die Messwerte mindestens einer Bewegungsdimension werden mit den Messwerten mindestens einer anderen Bewegungsdimension verrechnet. Eine Drehgeschwindigkeitsmessung wird mit einer linearen Beschleunigungsmessung kombiniert. Drei lineare Beschleunigungsmessungen werden kombiniert, um Beschleunigungen in drei korrigierte Raumrichtungen umzurechnen. DE 10 2005 004 086 A1 describes a device for detecting movements. The device detects the movements in the room by means of several motion sensors. The measured values of at least one motion dimension are offset with the measured values of at least one other motion dimension. A rotational speed measurement is combined with a linear acceleration measurement. Three linear acceleration measurements are combined to convert accelerations into three corrected spatial directions.

Wie in der Druckschrift erwähnt wird, ist eine solche Umrechnung, d. h. eine Transformation der Beschleunigungsmesswerte aus dem Koordinatensystem der Messvorrichtung in ein korrigiertes Koordinatensystem nützlich, um die Beschleunigungssensoren beliebig an dem Bewegungsobjekt anbringen zu können. Auch gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine solche Transformation vorgenommen. Insbesondere wenn die Beschleunigungssensoren an einer Person angebracht werden, ist es schwierig, die Richtungen der Koordinatenachsen der Sensoren mit geeigneten Richtungen in Bezug auf die Person auszurichten. Die drei Richtungen, die in Bezug auf die Person meist von Interesse sind, sind die Richtungen vorne bzw. hinten, links bzw. rechts und oben bzw. unten. Die letzt genannte Richtung stimmt meist mit der Richtung der Gewichtskraft überein, die im Gravitationsfeld der Erde auf die Person wirkt.As mentioned in the document, is such a conversion, d. H. a transformation of the acceleration measured values from the coordinate system the measuring device in a corrected coordinate system useful to arbitrarily attach the acceleration sensors to the object of motion can. Also according to the present invention made such a transformation. Especially when the acceleration sensors attached to a person, it is difficult to follow the directions the coordinate axes of the sensors with appropriate directions in To relate to the person. The three directions that relate On the person are mostly of interest, the directions are forward or behind, left or right and above or below. The last mentioned Direction is usually consistent with the direction of the weight, which acts on the person in the gravitational field of the earth.

Entsprechendes gilt häufig aber nicht nur für Personen, sondern auch für Tiere oder Gegenstände, deren Bewegungen verfolgt und analysiert werden sollen.The same Often applies not only to people, but also for animals or objects whose movements be tracked and analyzed.

Die Beschleunigungssensoren gemäß der vorliegenden Erfindung können wie in der DE 10 2005 004 086 A1 ausgeführt sein. Z. B. können Mikrosensoren auf Basis von Siliziumstrukturen eingesetzt werden. Solche Sensoren sind klein und leicht. Sie lassen sich gemäß der Erfindung z. B. in elektronische Geräte integrieren, die von Personen benutzt werden, z. B. Mobiltelefone, Handheld-Computer oder dergleichen. Die Sensoren können jedoch aufgrund der geringen Größe auch in noch kleinere Geräteeinheiten integriert werden. Z. B. kann eine solche Einheit lediglich die drei Beschleunigungssensoren zur Messung der Beschleunigungswerte in einem kartesischen Koordinatensystem und die erforderlichen Einrichtungen enthalten, um die Messwerte für eine Auswertung verfügbar zu machen. Die Übertragung der Messwerte von der Einheit kann z. B. drahtlos über eine Funkschnittstelle erfolgen.The acceleration sensors according to the present invention can, as in the DE 10 2005 004 086 A1 be executed. For example, microsensors based on silicon structures can be used. Such sensors are small and lightweight. They can be according to the invention z. B. integrate into electronic devices that are used by people, eg. As mobile phones, handheld computers or the like. However, due to their small size, the sensors can also be integrated into even smaller units. For example, such a unit may only contain the three acceleration sensors for measuring the acceleration values in a Cartesian coordinate system and the necessary facilities to make the measured values available for evaluation. The transmission of the measured values from the unit can, for. B. wirelessly via a radio interface.

Eine Sensoreinheit, die Beschleunigungen in einem kartesischen Koordinatensystem, d. h. in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen messen kann, wird im Folgenden 3D-Beschleunigungssensor oder 3D-Sensor genannt.A Sensor unit, the accelerations in a Cartesian coordinate system, d. H. can measure in three mutually orthogonal directions, is referred to below as the 3D acceleration sensor or 3D sensor.

Dabei sind die drei einzelnen Beschleunigungssensoren vorzugsweise eine integrierte Einheit, z. B. in Form eines integrierten Schaltkreises. Sie können jedoch auch aus separaten Einheiten zusammengesetzt, d. h. mechanisch miteinander verbunden sein, oder alternativ ein örtlich verteiltes System sein. Dabei können die einzelnen Sensoreinheiten oder der gesamte 3D-Sensor auch aus einem einzelnen oder zusammengesetztem Kamerasystem und/oder einer Kombination mit einem 3D-Beschleunigungssensor bestehen, welches in zeitlicher Abfolge die Umgebung erfasst. Durch die Änderung der optischen Bildinhalte und der Kenntnis über die Kameraparameter lassen sich somit Bewegungsänderungen wie Strecke, Geschwindigkeit und Beschleunigung ermitteln.there For example, the three individual acceleration sensors are preferably one integrated unit, eg. B. in the form of an integrated circuit. she however, can also be composed of separate units, d. H. be mechanically connected to each other, or alternatively a local be distributed system. In this case, the individual sensor units or the entire 3D sensor even from a single or composite Camera system and / or a combination with a 3D accelerometer exist, which detects the environment in chronological order. By the change of the optical image content and the knowledge about The camera parameters can thus be changes in movement how to determine distance, speed and acceleration.

Wie zuvor erwähnt kann insbesondere durch eine am Objekt angeordnete Kamera die Bewegung des Objekts erfasst werden. Dabei ist es nicht nur möglich, durch Auswertung der von der Kamera erfassten Bilder die Beschleunigungswerte der Bewegung des Objektes zu bestimmen. Vielmehr können alternativ die Geschwindigkeit der Bewegung und/oder die zurückgelegten Wegstrecken der Bewegung bestimmt werden. Das später beschriebene Verfahren zum Analysieren von Bewegungen von Objekten kann daher anstelle der 3D-Beschleunigungsmesswerte Geschwindigkeitswerte und/oder Wegstreckenwerte, jeweils als dreidimensionale Werte nutzen und in der im folgenden beschriebenen Weise in ein zweites Koordinatensystem transformieren.As previously mentioned may in particular by a arranged on the object Camera the movement of the object are detected. It is not only possible by evaluating the detected by the camera Pictures to determine the acceleration values of the movement of the object. Rather, alternatively, the speed of movement and / or the distances covered by the movement are determined. The method for analyzing movements described later of objects can therefore instead of the 3D acceleration measurements Speed values and / or distance values, each as three-dimensional values use and in the manner described below in a second Transform coordinate system.

Die Analyse von Bewegungen ist für eine Vielzahl von Anwendungen von Interesse. Bei Gegenständen kann z. B. durch Auswerten der Beschleunigungsmesswerte die Bewegung des Gegenstandes zurückverfolgt werden. Denkbar ist dies z. B. bei Gepäckstücken. Bei der Auswertung der Beschleunigungsmesswerte kann durch Integration über die Zeit zunächst die Geschwindigkeit und dann der zurückgelegte Weg des Objekts berechnet werden. Um die Beschleunigungsmesswerte für einen interessierenden Zeitraum zur Verfügung stellen zu können, kann die erwähnte Einheit z. B. einen geeignet dimensionierten Datenspeicher aufweisen, in dem die Messwerte gespeichert werden.Motion analysis is of interest for a variety of applications. For objects z. B. by evaluating the Be Accelerometer readings are traced the movement of the object. This is conceivable z. B. in luggage. When evaluating the acceleration measured values, the speed and then the distance covered by the object can be calculated by integration over time. In order to be able to provide the acceleration measurement values for a period of interest, the mentioned unit may, for. B. have a suitably dimensioned data memory in which the measured values are stored.

Bei Personen soll z. B. die Bewegung des Fußes beim Laufen analysiert werden (s. dazu DE 10 2005 004 086 A1 , die auf die Thematik näher eingeht). Andere Anwendungen bei Personen sind die Überwachung der körperlichen Aktivität, z. B. bei an Diabetes erkrankten Personen oder bei adipösen Personen. Außerdem kann mittels der 3D-Sensoren bei sturzgefährdeten Personen ein Sturz festgestellt werden. Der 3D-Sensor kann mit einer entsprechenden Auswertungseinheit kombiniert werden, z. B. um den Kalorienverbrauch oder den Sturz festzustellen. Bei Tieren, z. B. bei nachtaktiven Tieren und/oder Haustieren kann durch Analyse der Bewegung, die mit Hilfe des 3D-Sensors gemessen wird, festgestellt werden, wo sich das Tier aufgehalten hat oder ob sich das Tier artgerecht verhalten hat.For persons z. For example, the movement of the foot while running can be analyzed (see DE 10 2005 004 086 A1 , which deals with the topic in more detail). Other uses in persons are the monitoring of physical activity, e.g. B. in diabetics or in obese persons. In addition, by means of the 3D sensors in fall-prone persons a fall can be determined. The 3D sensor can be combined with a corresponding evaluation unit, eg. B. to determine the calorie consumption or the fall. In animals, z. As in nocturnal animals and / or pets can be determined by analyzing the movement, which is measured with the help of the 3D sensor, where the animal was or whether the animal has behaved according to species.

Analyseverfahren zum Analysieren der Bewegung zu den jeweiligen Zwecken sind bekannt und werden hier lediglich in Bezug auf Anwendungsbeispiele beschrieben. Z. B. kann bei Anbringung des 3D-Sensors am Schuh festgestellt werden, ob die Gehbewegung oder Laufbewegung einer Person durch besondere Ausgestaltung des Schuhs korrigiert werden soll. Näheres hierzu ist in der DE 10 2005 004 086 A1 beschrieben. Zur Bestimmung des Kalorienverbrauchs kann die gemessene Bewegung mit bekannten Bewegungsmustern verglichen werden. Z. B. findet eine Klassifikation einer Bewegungsphase statt und wird abhängig von dem Ergebnis der Klassifikation entschieden, ob sich die Person selbst bewegt hat oder bewegt wurde und welche Kalorienzahl bzw. Energie die Person bei eigener Bewegung verbraucht hat. Dabei kann der Kalorienverbrauch nicht nur abhängig von dem Bewegungstyp (z. B. Gehen, Laufen, Schwimmen, Rudern, Radfahren und dergleichen) ermittelt werden, sondern kann außerdem noch die konkret gemessene Bewegungsinformation zusätzlich herangezogen werden. Insbesondere können die Beschleunigungswerte daher nicht nur zur Klassifikation der Bewegung sondern auch zur Auswertung der Bewegung, z. B. zur Bestimmung des Kalorienverbrauchs pro Zeitintervall ausgewertet werden. Aus den Beschleunigungsmesswerten lässt sich ermitteln, ob die Person schnell gelaufen ist oder langsam, mit dem Fahrrad einen Berg hinauf oder hinab gefahren ist oder schnell oder langsam geschwommen ist.Analysis methods for analyzing the motion for the respective purposes are known and will be described herein only with reference to application examples. For example, it can be determined when attaching the 3D sensor on the shoe, whether the walking or running movement of a person to be corrected by special design of the shoe. More details are in the DE 10 2005 004 086 A1 described. To determine the calorie consumption, the measured movement can be compared with known movement patterns. For example, a classification of a movement phase takes place and, depending on the result of the classification, it is decided whether the person himself has moved or has been moved and what calorie count or energy the person has consumed in his own movement. In this case, the calorie consumption can not only be determined depending on the type of movement (eg walking, running, swimming, rowing, cycling and the like), but also the actually measured movement information can additionally be used. In particular, the acceleration values can therefore not only for the classification of the movement but also for the evaluation of the movement, z. B. to determine the calorie consumption per time interval are evaluated. From the acceleration readings, it is possible to determine whether the person was running fast or cycling slowly, cycling up or down a mountain, or swimming swiftly or slowly.

Bezüglich der Transformation der Beschleunigungsmesswerte aus dem Koordinatensystem des 3D-Sensors in ein geeignetes anderes Koordinatensystem ist aus der DE 10 2005 004 086 A1 entnehmbar, dass eine Richtung des transformierten, zweiten Koordinatensystems die Richtung der Gewichtskraft des Objekts ist. Ist das Objekt in Ruhe, lässt sich die Richtung der Gewichtskraft unmittelbar aus den gemessenen Beschleunigungswerten der drei Sensoren ermitteln, da die Richtung der Gewichtskraft mit der Richtung des Beschleunigungsvektors des Gravitationsfeldes übereinstimmt. Aber auch während sich das Objekt mit dem daran angebrachten 3D-Sensor bewegt, kann die Richtung der Gewichtskraft ermittelt werden. Vorzugsweise werden Zeitintervalle der Beschleunigungsmesswerte ausgewertet und durch zeitliche Mittelung die Richtung der Gewichtskraft bzw. des Beschleunigungsvektors des Gravitationsfeldes ermittelt. Ausführungsbeispiele werden noch beschrieben.With regard to the transformation of the acceleration measured values from the coordinate system of the 3D sensor into a suitable other coordinate system, the DE 10 2005 004 086 A1 that a direction of the transformed second coordinate system is the direction of the weight of the object. If the object is at rest, the direction of the weight force can be determined directly from the measured acceleration values of the three sensors, since the direction of the weight force coincides with the direction of the acceleration vector of the gravitational field. But even as the object moves with the attached 3D sensor, the direction of the weight force can be determined. Preferably, time intervals of the acceleration measured values are evaluated and the direction of the gravitational force or of the acceleration vector of the gravitational field is determined by temporal averaging. Embodiments will be described.

Jedoch ist das transformierte Koordinatensystem durch die Richtung der Gewichtskraft noch nicht eindeutig festgelegt. Die zwei dazu senkrecht verlaufenden Koordinatenachsen können noch frei gewählt werden. Zumindest eine Richtung wird zur Festlegung des zweiten Koordinatensystems noch benötigt. Die DE 10 2005 004 086 A1 schlägt vor, zwei so genannte Initialmessungen vorzunehmen. Hierzu wird eine Bewegung des Objekts mit dem daran angebrachten 3D-Sensor ausgeführt. Durch Auswertung der Bewegung wird die zweite Richtung, d. h. die Richtung einer weiteren Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems ermittelt.However, the transformed coordinate system is not yet uniquely determined by the direction of the weight. The two perpendicular coordinate axes can still be freely selected. At least one direction is still needed to define the second coordinate system. The DE 10 2005 004 086 A1 suggests making two so-called initial measurements. For this purpose, a movement of the object is carried out with the attached 3D sensor. By evaluating the movement, the second direction, ie the direction of a further coordinate axis of the transformed coordinate system, is determined.

Nach den Initialmessungen kann der Messbetrieb zum Erfassen von Bewegungen des Bewegungsobjekts beginnen. Voraussetzung ist jedoch, dass sich die Ausrichtung des 3D-Sensors relativ zu dem Bewegungsobjekt nicht ändert. Nachteilig an der in DE 10 2005 004 086 A1 beschriebenen Vorgehensweise ist daher, dass für die Transformation des Koordinatensystems Initialmessungen erforderlich sind. Solche Messungen kosten Zeit und werden daher möglicherweise vergessen. Insbesondere wenn das Bewegungsverhalten von Personen laufend vermessen werden soll, wird die Person nicht dazu bereit sein, immer wieder Initialmessungen durchzuführen. Z. B. kann der 3D-Sensor in ein elektronisches Gerät integriert sein, das die Person am Körper trägt. Wenn die Person das elektronische Gerät benutzt hat und wieder in eine Tasche oder Halterung einbringt, die am Körper der Person getragen wird, ändert sich die Ausrichtung des 3D-Sensors in Bezug auf die Person. Aber auch bei Tieren oder Gegenständen ist die wiederholte Durchführung von Initialmessungen in vielen Fällen nicht praktikabel.After the initial measurements, the measuring operation can begin to detect movements of the moving object. The prerequisite is, however, that the orientation of the 3D sensor relative to the moving object does not change. Disadvantageous in the DE 10 2005 004 086 A1 The procedure described is therefore that initial measurements are required for the transformation of the coordinate system. Such measurements take time and may therefore be forgotten. In particular, when the movement behavior of persons is to be measured continuously, the person will not be willing to perform initial measurements again and again. For example, the 3D sensor may be integrated into an electronic device that carries the person on the body. When the person has used the electronic device and puts it back in a bag or holder worn on the person's body, the orientation of the 3D sensor with respect to the person changes. But even with animals or objects the repeated execution of initial measurements in many cases is not practical.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Analysieren von Bewegungen von Objekten anzugeben, mit denen die zuvor genannten Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll es möglich sein, ohne Initialmessungen, die nicht zu der eigentlichen zu analysierenden Bewegung gehören, auszukommen. Ferner gehört zum Umfang der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens auf einem Computer oder Computersystem sowie ein Datenträger, auf den das Programm gespeichert ist, insbesondere in Form von digitalen Daten.It is therefore an object of the present invention to provide a method and apparatus for Specify movements of objects that overcome the aforementioned drawbacks. In particular, it should be possible to get along without initial measurements that do not belong to the actual motion to be analyzed. Furthermore, the scope of the present invention includes a computer program for executing the method on a computer or computer system and a data medium on which the program is stored, in particular in the form of digital data.

Die vorliegende Erfindung geht insbesondere von dem Gedanken aus, dass bei der Auswertung von Bewegungen auf Informationen über frühere Bewegungen und/oder Informationen über Bewegungstypen zurückgegriffen werden kann. Ein Vergleich der zu analysierenden Bewegung mit solcher Information ist insbesondere als Mustererkennung an sich bekannt. Abhängig von dem Vergleich kann – wie oben bereits erwähnt wurde – die zu analysierende Bewegung klassifiziert werden. Hierzu kann eine Mehrzahl von vordefinierten Klassen existieren, von denen eine zur Klassifikation der Bewegung ermittelt wird. Die Information kann auf verschiedene Art vorliegen und der Vergleich kann dementsprechend in verschiedener Weise durchgeführt werden. Z. B. kann eine Frequenzanalyse von ein oder mehreren Komponenten des mit Hilfe des 3D-Sensors gemessenen Beschleunigungsvektors durchgeführt werden. Beim Gehen bzw. Laufen einer Person ist es z. B. charakteristisch, dass die Frequenz der beim Gehen ausgeführten Rechts-Links-Beschleunigungen halb so groß ist, wie die Frequenz der Vor-Zurück-Beschleunigungen, wenn der 3D-Sensor im Bereich der Hüfte der Person getragen wird.The The present invention is based in particular on the idea that in the evaluation of movements on information about previous movements and / or information about Movement types can be used. A comparison In particular, the motion to be analyzed with such information is known as pattern recognition per se. Depending on the comparison can - as mentioned above - the be classified to analyze motion. For this purpose, a plurality of predefined classes exist, one of which is for classification the movement is determined. The information can be different Art are present and the comparison can accordingly in different Be carried out manner. For example, a frequency analysis of one or more components of the measured using the 3D sensor Acceleration vector can be performed. While walking or running a person, it is z. B. characteristic that the Frequency of right-to-left accelerations performed when walking half is as large as the frequency of back-to-back accelerations, if the 3D sensor worn in the area of the hip of the person becomes.

Der Bereich der Hüfte ist ein häufiger Trageort. Z. B. kann der 3D-Sensor an einem Gürtel oder am Hosenbund getragen werden, oder er kann in ein Gerät integriert sein, dass dort getragen wird. Auch die Unterbringung des 3D-Sensors in einer Hosentasche platziert ihn im Bereich der Hüfte.Of the Area of the hip is a common place of carrying. Z. For example, the 3D sensor may be attached to a belt or trouser waistband worn, or it can be integrated into a device, that is worn there. Also, the placement of the 3D sensor in a trouser pocket places him in the hip area.

Es wird nun vorgeschlagen, die Mustererkennung nicht oder nicht nur zum Zweck der Auswertung der Bewegung vorzunehmen, sondern um die Richtung der zweiten Achse des transformierten Koordinatensystems zu bestimmen. Die Richtung der ersten Achse des zweiten Koordinatensystems verläuft in Richtung des Gravitationsfeldes und wird aus den Messwerten des 3D-Sensors ermittelt. Wenn hier von der ersten und der zweiten Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems die Rede ist, so dient dies lediglich zur eindeutigen Bezeichnung der Achsen. Eine Reihenfolge und damit eine bestimmte Orientierung des transformierten Koordinatensystems ist damit nicht festgelegt.It it is now proposed, pattern recognition is not or not only for the purpose of evaluating the movement, but about the direction to determine the second axis of the transformed coordinate system. The direction of the first axis of the second coordinate system runs in the direction of the gravitational field and is taken from the measured values of the 3D sensor determined. If here from the first and the second coordinate axis of the transformed coordinate system, this is what it is only for clear identification of the axes. An order and thus a specific orientation of the transformed coordinate system is not set.

Wie erwähnt kann die Mustererkennung auf sehr verschiedene Weise stattfinden. Anschaulich betrachtet ist die Richtung der zweiten Achse des transformierten Koordinatensystems, in das die Beschleunigungsmesswerte transformiert werden, die Richtung einer bestimmten, ausgezeichneten Richtung der Bewegung. Ausgezeichnet ist die Richtung durch für die Bewegung typische Merkmale. Z. B. beim Gehen einer Person bietet es sich an, die Vorwärtsrichtung, in die die Person geht, als ausgezeichnete Bewegungsrichtung zu bezeichnen. Diese ausgezeichnete Bewegungsrichtung wird auch als Hauptbewegungsrichtung oder Hauptbewegungsachse bezeichnet. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, beim Gehen die Vorwärtsrichtung als Richtung der zweiten Achse des transformierten Koordinatensystems zu wählen. Z. B. könnte auch die senkrecht dazu verlaufende und ebenfalls senkrecht zur Richtung des Gravitationsfeldes verlaufende Rechts-Links-Richtung als Richtung der zweiten Koordinatenachse gewählt werden. Wichtig ist es nur, für gleichartige Bewegungen immer dieselbe Richtung für die zweite Koordinatenachse zu wählen. Dies ermöglicht es insbesondere, die Bewegungen miteinander zu vergleichen oder zumindest in gleicher Weise auszuwerten.As Mentioned pattern recognition can be very different Take place. The direction of the second is clear Axis of the transformed coordinate system into which the acceleration measurements be transformed, the direction of a particular, excellent Direction of movement. Excellent is the direction through the movement typical features. For example, when walking a person offers it's the forward direction that the person goes into, to describe as an excellent direction of movement. This excellent Movement direction is also called main movement direction or main movement axis designated. However, it is not mandatory when walking the forward direction as the direction of the second axis of transformed coordinate system. For example, could also the perpendicular to it and also perpendicular to the direction the gravitational field extending right-left direction as a direction the second coordinate axis are selected. Important is it only, for identical movements always the same direction to choose for the second coordinate axis. This makes it possible in particular, the movements with each other to compare or at least evaluate in the same way.

Wenn davon die Rede, dass zur Bestimmung dieser Richtung eine Mustererkennung durchgeführt wird, dann muss dies nicht im Rahmen einer Klassifikation, d. h. durch Ermittlung eines Bewegungstyps erfolgen. Vielmehr reicht es aus, die Richtung mit Hilfe von Informationen über eine andere Bewegung als die zu analysierende Bewegung zu bestimmen. Die Richtung, z. B. die Hauptbewegungsrichtung, kann in Bezug auf die andere Bewegung definiert sein. Z. B. kann die andere Bewegung ebenfalls eine Gehbewegung sein. Wenn bekannt ist, dass die Bewegungen hinsichtlich der Bewegungsart einander entsprechen oder gleichen, kann unter Nutzung der Informationen über die andere Bewegung die dafür definierte Richtung als zweite Richtung in die zu analysierende Bewegung übertragen werden. Somit liegt die zweite Richtung auch für die zu analysierende Bewegung fest und kann die Transformation der Bewegungsmesswerte aus dem Mess-Koordinatensystem in das transformierte Koordinatensystem durchgeführt werden.If it is mentioned that to determine this direction a pattern recognition carried out, then this does not have to be part of a Classification, d. H. done by determining a movement type. Rather, it suffices to guide the direction with the help of information about to determine a movement other than the movement to be analyzed. The direction, z. B. the main movement direction, with respect to the other movement be defined. For example, the other movement also be a walking movement. If it is known that the movements in terms of the type of movement correspond to each other or the same can under Use of information about the other movement the For this defined direction as the second direction in the be transmitted analyzing motion. Thus lies the second direction also for the motion to be analyzed and may be the transformation of the motion measurements from the measurement coordinate system be performed in the transformed coordinate system.

Insbesondere wird folgendes vorgeschlagen:
Ein Verfahren zum Analysieren von Bewegungen von Objekten, insbesondere von Gegenständen, Personen oder anderen Lebewesen, wobei Beschleunigungsmesswerte bezüglich drei orthogonal zueinander verlaufenden Achsen eines ersten Koordinatensystems vorliegen und wobei:

– die Beschleunigungsmesswerte in ein zweites Koordinatensystem transformiert werden,
– für die Transformation in das zweite Koordinatensystem aus den Beschleunigungsmesswerten die Richtung eines Gravitationsfeldes ermittelt wird, in dem die Bewegung stattfindet oder stattgefunden hat,
– die Richtung des Gravitationsfeldes als die Richtung einer ersten Achse des zweiten Koordinatensystems gewählt wird,
– die Richtung einer zweiten Achse des zweiten Koordinatensystems aus einem Vergleich der Beschleunigungsmesswerte oder daraus abgeleiteter Bewegungsinformationen einerseits mit vorhandener Informationen über eine andere Bewegung oder über einen Bewegungstyp andererseits ermittelt wird.

In particular, the following is proposed:
A method for analyzing movements of objects, in particular objects, persons or other living beings, wherein acceleration measurement values are present with respect to three orthogonal axes of a first coordinate system, and wherein:

The acceleration measurement values are transformed into a second coordinate system,
For the transformation into the second coordinate system, the direction of a gravitational field is determined from the acceleration measured values becomes, in which the movement takes place or took place,
The direction of the gravitational field is chosen as the direction of a first axis of the second coordinate system,
- The direction of a second axis of the second coordinate system from a comparison of the acceleration measurements or derived movement information on the one hand with existing information about another movement or a movement type on the other hand is determined.

Bei Personen kann das transformierte Koordinatensystem in vielen Fällen als bezüglich der Person oder eines charakteristischen Bereichs der Person (z. B. der Hüfte) als unveränderliches Koordinatensystem definiert werden. Allerdings kann es abhängig von dem Bewegungstyp dazu kommen, dass der Körperteil, an dem der 3D-Sensor angebracht ist, eine rotatorische Bewegungskomponente hat, so dass er sich im Gravitationsfeld anders ausrichtet. In diesem Fall wird es bevorzugt, dass die zu analysierende Bewegung in verschiedene Zeitabschnitte unterteilt wird, in denen jeweils ein anderes transformiertes Koordinatensystem gewählt wird. Die Übergänge zwischen diesen Zeitabschnitten sind durch die Zeitpunkte der rotatorischen Bewegungskomponente definiert.at People can use the transformed coordinate system in many cases as concerning the person or a characteristic Area of the person (eg the hip) as invariable Coordinate system defined. However, it can be dependent of the movement type come to that the body part, on which the 3D sensor is mounted, a rotational movement component has, so that he aligns himself in the gravitational field. In this Case, it is preferred that the motion to be analyzed differs into different ones Periods is divided, in each case another transformed Coordinate system is selected. The transitions between these periods are characterized by the moments of the rotational Movement component defined.

Da sich die Ausrichtung des Körperteils, relativ zu dem der 3D-Sensor an den Körper positioniert ist, in gewissen Grenzen laufend ändern kann, ist die Richtung der ersten Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems, d. h. der Koordinatenachse, die in Richtung des Gravitationsfeldes ausgerichtet werden soll, nicht exakt definiert. Dennoch erhält man mit der Transformation der Beschleunigungsmesswerte in das transformierte Koordinatensystem sehr viel besser und genauer auswertbare Ergebnisse, wenn die Richtung der ersten Koordinatenachse durch Bestimmung eines über einen Zeitraum gemittelten Gravitationsbeschleunigungsvektors vorgenommen wird. Allgemeiner formuliert werden daher über den Verlauf der zu analysierenden Bewegung wiederholt oder kontinuierlich Bewegungsmesswerte ausgewertet, um die Richtung des Gravitationsfeldes zu bestimmen und die erste Achse des zweiten Koordinatensystems festzulegen. Vorzugsweise werden zur kontinuierlichen Auswertung Bewegungsmesswerte jeweils gleitend über einen Zeitraum ausgewertet, insbesondere gemittelt, wobei der Zeitraum jeweils an einem aktuellen Zeitpunkt der Bewegungsmessung endet und in die Vergangenheit zurückgeht. Insbesondere kann dieser sich gleitend verschiebende Zeitraum, der jeweils auf den aktuellen Zeitpunkt der Bewegungsmessung bezogen ist, immer gleich lang sein. Bei Bewegungsmesswerten mit konstanter Abtastrate der Sensoren wird beispielsweise immer eine gleich große Anzahl aufeinander folgender Messwerte ausgewertet. Bei der Mittelung können die über den Auswertungszeitraum verteilten Messwerte gleich oder unterschiedlich gewichtet werden. Dies hängt insbesondere auch von der Art der Bewegung ab.There the orientation of the body part, relative to the 3D sensor is positioned on the body, within certain limits is the direction of the first coordinate axis of the transformed coordinate system, i. H. the coordinate axis, which should be aligned in the direction of the gravitational field, not exactly defined. Nevertheless, one gets with the transformation the acceleration measurements into the transformed coordinate system much better and more accurate results when the direction the first coordinate axis by determining an over a period of averaged gravitational acceleration vector becomes. More general formulated therefore over the course The motion to be analyzed repeats or continuously measures motion evaluated to determine the direction of the gravitational field and set the first axis of the second coordinate system. Preferably, for continuous evaluation, measured motion values each evaluated in a sliding manner over a period of time, in particular averaged, where the period is always at a current time The movement measurement ends and goes back to the past. In particular, this sliding period, the each related to the current time of motion measurement is, always the same length. For motion measurements with constant For example, the sampling rate of the sensors will always be the same Number of consecutive measured values evaluated. In the averaging can be distributed over the evaluation period Measured values should be weighted equally or differently. This depends especially from the type of movement.

Die Mittelung über den Auswertungszeitraum, um die Richtung der ersten Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems zu ermitteln, hat aber nicht nur den oben erwähnten Vorteil. Außerdem können aus einer Drehung dieser Richtung in Bezug auf das Mess-Koordinatensystem Informationen über die Bewegung gewonnen werden. Es kann so beispielsweise auf einfache Weise erkannt werden, dass vor und nach der Drehung Bewegungen gemäß verschiedenen Bewegungstypen ausgeführt werden bzw. wurden.The Averaging over the evaluation period to the direction the first coordinate axis of the transformed coordinate system but not only has the advantage mentioned above. Furthermore may be from a rotation of that direction with respect to the Measuring coordinate system Information about the movement be won. It can be easily recognized, for example be that before and after the rotation movements according to different Movement types are or were executed.

Bei der aus den Beschleunigungsmesswerten abgeleiteten Bewegungsinformation für die Ermittlung der zweiten Achse kann es sich z. B. um die Geschwindigkeit der Bewegung handeln, aus deren Richtung sich in einfacher Weise eine ausgezeichnete Richtung der Bewegung ergibt, um eine Frequenz von Komponenten des gemessenen Beschleunigungsvektors oder um eine andere Information, die es für einen bestimmten Bewegungstyp erlaubt, die Richtung der zweiten Achse zu bestimmen, oder den Bewegungstyp festzustellen.at the motion information derived from the acceleration measurements for the determination of the second axis, it may, for. B. to act on the speed of the movement, from whose direction in a simple way an excellent direction of movement gives a frequency of components of the measured acceleration vector or any other information that it is for a particular Movement type allows to determine the direction of the second axis or determine the type of movement.

Im Gegensatz zu der DE 10 2005 004 086 A1 , sind die für den Vergleich verwendeten Beschleunigungsmesswerte Messwerte der zu analysierenden Bewegung. Es handelt sich daher nicht um Messwerte von Initialmessungen. Allerdings ist es grundsätzlich auch möglich, solche Initialmessungen durchzuführen und für die Bestimmung der Richtung der zweiten Achse zu nutzen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Initialmessung möglicherweise einem anderen Bewegungstyp unterliegt, als die eigentliche zu analysierende Bewegung. Anders ausgedrückt setzt die erfindungsgemäße Lösung nicht voraus, dass sich die Ausrichtung des 3D-Sensors zum Bewegungsobjekt zwischen Initialmessung und eigentlicher Messung nicht ändert. Vielmehr kann auch bei einer solchen Änderung der relativen Ausrichtung zumindest vor und nach der Änderung jeweils eine Richtung einer zweiten Achse des zweiten Koordinatensystems unmittelbar aus den Messdaten bestimmt werden.Unlike the DE 10 2005 004 086 A1 , the acceleration measurements used for the comparison are measured values of the motion to be analyzed. These are therefore not measured values of initial measurements. However, it is basically also possible to carry out such initial measurements and to use them for determining the direction of the second axis. However, it should be noted that the initial measurement may be subject to a different type of movement than the actual motion to be analyzed. In other words, the solution according to the invention does not assume that the orientation of the 3D sensor to the movement object does not change between the initial measurement and the actual measurement. Rather, even with such a change in the relative orientation, at least before and after the change, in each case a direction of a second axis of the second coordinate system can be determined directly from the measured data.

Insbesondere ist es daher möglich, den Vergleich und die Transformation in das zweite Koordinatensystem nach Abschluss der zu analysierenden Bewegung durchzuführen. Bei Initialmessungen muss dagegen zunächst, bevor die eigentliche Messung beginnt, die zweite Richtung zur Festlegung des transformierten Koordinatensystems bestimmt werden. Stellt sich nämlich später heraus, dass die Initialmessung nicht erfolgreich war, z. B. weil bestimmte Anforderungen nicht erfüllt wurden, kann die gesamte zu analysierende Bewegung nicht in der Weise wie in DE 10 2005 004 086 A1 beschrieben ausgewertet werden.In particular, it is therefore possible to carry out the comparison and the transformation into the second coordinate system after completion of the movement to be analyzed. In the case of initial measurements, on the other hand, first, before the actual measurement begins, the second direction must be determined in order to determine the transformed coordinate system. If it turns out later that the initial measurement was unsuccessful, z. B. because certain Requirements have not been met, the entire motion to be analyzed can not be in the way in DE 10 2005 004 086 A1 be evaluated described.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:embodiments The present invention will now be described with reference to the attached Drawing described. The individual figures of the drawing show:

1: schematisch einen 3D-Beschleunigungssensor, das kartesische Koordinatensystem des Sensors und ein transformiertes Koordinatensystem, 1 schematically a 3D acceleration sensor, the Cartesian coordinate system of the sensor and a transformed coordinate system,

2: schematisch eine Vorrichtung zum Analysieren von Bewegungen von Objekten, wobei die Figur in der Art eines Flussdiagramms auch das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht, 2 FIG. 2 schematically shows an apparatus for analyzing movements of objects, the figure also illustrating, in the manner of a flowchart, the method according to the invention, FIG.

3: ein Diagramm, das Beschleunigungsmesswerte mit zwei Komponenten in einer etwa horizontalen Ebene beim Laufen einer Person zeigt, wobei der 3D-Beschleunigungssensor in der rechten Hosentasche getragen wurde, 3 FIG. 4 is a diagram showing two component acceleration measurements in an approximately horizontal plane while a person is walking, with the 3D acceleration sensor carried in the right trouser pocket. FIG.

4: Messwerte für eine Bewegung wie bei 3, wobei jedoch der 3D-Beschleunigungssensor in der linken Hosentasche getragen wurde, 4 : Measurements for a movement as in 3 but with the 3D accelerometer worn in the left pocket,

5: Bewegungsmesswerte einer Laufbewegung ähnlich der von 3 und 4, wobei jedoch der Sensor an der Gürtelschnalle im Hüftbereich der Person getragen wurde, 5 : Movement measured values of a running movement similar to those of 3 and 4 but with the sensor worn on the belt buckle in the hip area of the person,

6: ein Diagramm, das zwei Komponenten von gemessenen Beschleunigungswerten in einer etwa horizontalen Ebene darstellt, wobei die Bewegung dadurch stattfindet, dass die Person, welche den Sensor trägt, in einem Straßenkraftfahrzeug fährt. 6 Fig. 2 is a diagram illustrating two components of measured acceleration values in an approximately horizontal plane, the movement taking place by the person carrying the sensor traveling in a road vehicle.

1 zeigt einen 3D-Sensor S, der als Würfel dargestellt ist und drei Beschleunigungssensoren aufweist. Diese drei Sensoren messen die Komponenten des Gesamt-Beschleunigungsvektors in Richtung der drei Koordinatenachsen x, y, z eines kartesischen Koordinatensystems, das bezüglich dem Sensor ruht. 1 shows a 3D sensor S, which is shown as a cube and has three acceleration sensors. These three sensors measure the components of the overall acceleration vector in the direction of the three coordinate axes x, y, z of a Cartesian coordinate system resting with respect to the sensor.

Mit g ist der Gravitationsbeschleunigungsvektor eines Gravitationsfeldes bezeichnet, in dem sich der Sensor S befindet. Mit der Richtung des Beschleunigungsvektors g fällt die Richtung der Koordinatenachse x' zusammen, die die erste Koordinatenachse eines transformierten Koordinatensystems ist. Die weiteren Koordinatenachsen des transformierten Koordinatensystems sind mit y' und z' bezeichnet und in 1 durch gestrichelte Linien mit einem Pfeil an dem Ende der Linie dargestellt. Die Messwerte des Messkoordinatensystems x, y, z sind mit A1 (x-Achse), A2 (y-Achse) und A3 (z-Achse) bezeichnet. Bei diesen Messwerten handelt es sich um Beschleunigungsmesswerte des Sensors S.With g the gravitational acceleration vector of a gravitational field is designated, in which the sensor S is located. The direction of the acceleration vector g coincides with the direction of the coordinate axis x ', which is the first coordinate axis of a transformed coordinate system. The other coordinate axes of the transformed coordinate system are denoted by y 'and z' and in 1 represented by dashed lines with an arrow at the end of the line. The measured values of the measurement coordinate system x, y, z are labeled A1 (x-axis), A2 (y-axis) and A3 (z-axis). These readings are sensor acceleration readings.

Der Sensor S kann z. B. in ein elektronisches Gerät integriert sein und/oder an dem Bewegungsobjekt befestigt sein.Of the Sensor S can z. B. integrated into an electronic device be and / or be attached to the object of motion.

2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Analysieren der Bewegung auf Basis von 3D-Beschleunigungsmesswerten eines 3D-Sensors. Bei dem Sensor S kann es sich z. B. um den Sensor gemäß 1 handeln. 2 shows a preferred embodiment of a device for analyzing the movement on the basis of 3D acceleration measured values of a 3D sensor. In the sensor S, it may be z. B. to the sensor according to 1 act.

Wie schematisch links in 2 dargestellt ist, weist der 3D-Sensor S drei einzelne Beschleunigungssensoren 15a, 15b, 15c auf, die wiederholt, insbesondere zyklisch mit konstanten Zeitabständen, Messwerte der Beschleunigung bezüglich der drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems x, y, z (z. B. des nicht transformierten Koordinatensystems gemäß 1) messen. Der Messwert A1 des Sensors 15a ist z. B. der Messwert der x-Achse, der Messwert A2 des Sensors 15b der Messwert der y-Achse und der Messwert A3 des Sensors 15c der Messwert bezüglich der z-Achse.As shown schematically in the left 2 is shown, the 3D sensor S has three individual acceleration sensors 15a . 15b . 15c which measures, in particular cyclically at constant time intervals, measurements of the acceleration with respect to the three axes of a Cartesian coordinate system x, y, z (eg of the untransformed coordinate system according to FIG 1 ) measure up. The measured value A1 of the sensor 15a is z. B. the measured value of the x-axis, the measured value A2 of the sensor 15b the measured value of the y-axis and the measured value A3 of the sensor 15c the measured value with respect to the z-axis.

Über eine Signalverbindung zwischen dem Sensor S und einer Ermittlungseinrichtung 10 werden die Messwerte A1, A2, A3 an die Einrichtung 10 übertragen. Die Signalverbindung kann drahtlos und/oder drahtgebunden realisiert werden. Auch können zwischen dem 3D-Sensor S und der Einrichtung 10 weitere Einrichtungen oder Einheiten angeordnet sein, z. B. eine Aufbereitungseinrichtung zur Aufbereitung der Rohmesswerte der Sensoren 15a, 15b, 15c (z. B. um systematische Messfehler zu korrigieren und entsprechende korrigierte Messwerte an die Einrichtung 10 auszugeben). Auch kann der 3D-Sensor S z. B. in einer gemeinsamen Baueinheit (z. B. einem elektronischen Gerät, z. B. ein Mobiltelefon) mit einer Funkübertragungseinrichtung zum Übertragen der Messwerte A1, A2, A3 verbaut sein. In dem Ausführungsbeispiel der 2 wäre die Einrichtung 10 in diesem Fall mit einer entsprechenden Empfangseinrichtung zum Empfangen der Funksignale kombiniert. Es ist aber auch möglich, dass die Einrichtung 10 in derselben Einheit verbaut ist wie der 3D-Sensor S. Das Gleiche gilt für die weiteren in 2 dargestellten Einrichtungen, auf die noch näher eingegangen wird. Entweder können alle Einrichtung, die in 2 dargestellt sind, in einer gemeinsamen Einheit verbaut sein (z. B. das erwähnte elektronische Gerät) oder es befindet sich die Grenze (z. B. die Funkschnittstelle) der Baueinheit des 3D-Sensors zwischen diesem und der Einrichtung 10, zwischen der Einrichtung 10 und der Einrichtung 12 oder zwischen der Einrichtung 12 und der Einrichtung 14.Via a signal connection between the sensor S and a detection device 10 the measured values A1, A2, A3 are sent to the device 10 transfer. The signal connection can be realized wirelessly and / or wired. Also, between the 3D sensor S and the device 10 be arranged further devices or units, for. B. a processing device for processing the raw measured values of the sensors 15a . 15b . 15c (eg to correct systematic measurement errors and corresponding corrected readings to the device 10 output). Also, the 3D sensor S z. B. in a common unit (eg., An electronic device, eg., A mobile phone) with a radio transmission device for transmitting the measured values A1, A2, A3 be installed. In the embodiment of 2 would be the device 10 in this case combined with a corresponding receiving device for receiving the radio signals. But it is also possible that the device 10 in the same unit as the 3D sensor S. The same applies to the others in 2 illustrated facilities, which will be discussed in more detail. Either all the furnishings that are in 2 are shown to be installed in a common unit (eg the mentioned electronic device) or the boundary (eg the radio interface) of the construction unit of the 3D sensor is located between it and the device 10 , between the institution 10 and the facility 12 or between the institution 12 and the facility 14 ,

Die Ermittlungseinrichtung 10 ermittelt aus den Beschleunigungsmesswerten A1, A2, A3 die Richtung eines Gravitationsfeldes, in dem die Bewegung eines Bewegungsobjekts stattfindet, an dem der 3D-Sensor S angeordnet ist. Auf ein Ausführungsbeispiel, wie die Ermittlung vorgenommen wird, wird noch näher eingegangen. Die so ermittelte Richtung des Gravitationsfeldes gibt die Einrichtung 10 zusammen mit den Messwerten A1, A2, A3 als Richtung der ersten Koordinatenachse x' des transformierten Koordinatensystems an die Einrichtung 12 aus, die eine Vergleichseinrichtung ist.The determination device 10 determines from the acceleration measured values A1, A2, A3 the direction of a gravitational field in which the movement of a moving object takes place, on which the 3D sensor S is arranged. An embodiment of how the determination is made will be discussed in more detail. The thus determined direction of the gravitational field gives the device 10 together with the measured values A1, A2, A3 as the direction of the first coordinate axis x 'of the transformed coordinate system to the device 12 which is a comparator.

Die Vergleichseinrichtung 12 hat Zugriff auf einen Datenspeicher 11, in dem Informationen über eine andere Bewegung oder über einen Bewegungstyp gespeichert sind. Aus einem Vergleich der Beschleunigungsmesswerte A1, A2, A3 oder daraus abgeleiteter Bewegungsinformation einerseits mit der in dem Datenspeicher 11 abgelegten Information andererseits ermittelt die Vergleichseinrichtung 12 die Richtung einer zweiten Achse y' des transformierten Koordinatensystems.The comparison device 12 has access to a data store 11 in which information about another movement or about a movement type is stored. From a comparison of the acceleration measured values A1, A2, A3 or movement information derived therefrom on the one hand with that in the data memory 11 stored information on the other hand determines the comparator 12 the direction of a second axis y 'of the transformed coordinate system.

In der hier beschriebenen Ausführungsform übernimmt die Vergleichseinrichtung 12 auch die Koordinatentransformation. Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Koordinatentransformation wird noch näher beschrieben. An einem Ausgang der Vergleichseinrichtung 12 liegen daher die in das zweite, transformierte Koordinatensystem x', y', z' transformierten Beschleunigungsmesswerte R1, R2, R3 an. Diese transformierten Messwerte werden einer Analyseeinrichtung 14 zugeführt, die die Bewegung anhand der transformierten Messwerte analysiert. Z. B. ermittelt die Analyseeinrichtung 14, welche Energie eine Person für die Bewegung verbraucht hat, die durch das Aufnehmen der Messwerte, A2, A3 vermessen wurde.In the embodiment described here, the comparator takes over 12 also the coordinate transformation. An embodiment of such a coordinate transformation will be described in more detail. At an output of the comparator 12 Therefore, the acceleration measured values R1, R2, R3 transformed into the second, transformed coordinate system x ', y', z 'are present. These transformed measured values become an analysis device 14 fed, which analyzes the movement based on the transformed measured values. For example, the analyzer determines 14 What energy has consumed a person for the movement, which was measured by taking the readings, A2, A3.

Zusätzlich zu den transformierten Messwerten R kann die Vergleichseinrichtung 12 auch weitere Informationen an die Analyseeinrichtung 14 ausgeben, insbesondere die Information, um welchen Bewegungstyp oder um welche Bewegungstypen es sich bei der vermessenen Bewegung handelt. Z. B. kann die Vergleichseinrichtung 12 eine Bewegungsmustererkennung durchführen, d. h. die für einen bestimmten Bewegungstyp charakteristischen Muster in der vermessenen Bewegung identifizieren. Daraus ermittelt die Vergleichseinrichtung wie erwähnt die Richtung der zweiten Achse des transformierten Koordinatensystems. Die so erhaltene Information über den Bewegungstyp und optional außerdem die oben bereits erwähnte Hauptbewegungsachse übermittelt sie an die Analyseeinrichtung 14, die daher nicht mehr eine Mustererkennung ausführen muss. Die Analyseeinrichtung 14 kann die Information über den Bewegungstyp unmittelbar bei der eigentlichen Analyse der Bewegung verwenden. Z. B. ist der Kalorienverbrauch für die Bewegung 0, wenn sie aus dem Bewegungstyp ermittelt, dass sich die Person nicht selbst bewegt hat, sondern bewegt wurde.In addition to the transformed measured values R, the comparison device 12 also more information to the analyzer 14 output, in particular the information about which type of movement or which movement types it is in the measured movement. For example, the comparison device 12 perform a movement pattern recognition, ie identify the characteristic of a certain type of movement patterns in the measured movement. From this, the comparison device determines, as mentioned, the direction of the second axis of the transformed coordinate system. The information about the type of movement thus obtained and optionally also the main movement axis already mentioned above are transmitted to the analysis device 14 which therefore no longer needs to perform pattern recognition. The analysis device 14 can use the information about the movement type immediately in the actual analysis of the movement. For example, the calorie consumption for the movement is 0, if it determines from the movement type that the person did not move himself, but was moved.

Es wird nun ein Ausführungsbeispiel für die Koordinatentransformation beschrieben.It Now an embodiment for the coordinate transformation described.

Es findet eine Transformation der Beschleunigungs-Messwerte aus dem kartesischen Koordinatensystem x, y, z des Mess-Sensors (Ausgangskoordinatensystem) in das transformierte Koordinatensystem x', y', z' statt. Die transformierte Achse x' entspricht der Richtung des Beschleunigungsvektors des Erdgravitationsfeldes.It finds a transformation of the acceleration measurements from the Cartesian coordinate system x, y, z of the measuring sensor (initial coordinate system) into the transformed coordinate system x ', y', z '. The transformed Axis x 'corresponds to the direction of the acceleration vector of Earth's gravitational field.

Der Vektor

zeigt in Richtung des Beschleunigungsvektors des Gravitationsfeldes und ist bereits normiert, d. h. hat den Betrag 1. Seine in der Spaltenschreibweise übereinander stehenden Komponenten g1, g2, g3 sind Komponenten im Ausgangs-Koordinatensystem. Wirkt außer der Erdbeschleunigung keine andere Beschleunigung, sind die Komponenten die Messwerte der drei einzelnen Beschleunigungssensoren des 3D-Sensors. Der Vektor

bezeichnet die zweite Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems. Dieser Vektor ist unter Verwendung der Informationen über eine andere Bewegung oder einen Bewegungstyp zu bestimmen, z. B. durch Mustererkennung. Seine Komponenten y1, y2, y3 sind ebenfalls auf das Ausgangs-Koordinatensystem bezogen. Wird zunächst ein beliebiger Vektor x ~ definiert, der senkrecht zu dem Vektor x' steht, gilt:

The vector

points in the direction of the acceleration vector of the gravitational field and is already normalized, ie has the magnitude 1. Its in the column notation superimposed components g1, g2, g3 are components in the output coordinate system. If there is no acceleration other than acceleration due to gravity, the components are the measured values of the three individual acceleration sensors of the 3D sensor. The vector

denotes the second coordinate axis of the transformed coordinate system. This vector is to be determined using information about another movement or type of movement, e.g. B. by pattern recognition. Its components y1, y2, y3 are also related to the output coordinate system. If an arbitrary vector x ~ is first defined, which is perpendicular to the vector x ', the following applies:

Dabei werden die Komponenten des Vektors x ~ so gewählt, dass sein Betrag 1 ist. Für den Vektor z' in Richtung der dritten Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems gilt:

The components of the vector x ~ are chosen such that their magnitude is 1. For the vector z 'in the direction of the third coordinate axis of the transformed coordinate system:

Die Gleichung gibt das Kreuzprodukt der Vektoren x', y' an. Für einen gemessenen Vektor

dessen Komponenten m1, m2, m3 Beschleunigungsmesswerte im Ausgangs-Koordinatensystem sind, gelten die folgenden Beziehungen:

m1 = <m – x, y> = (m1 – x1)·y1 + (m2 – x2)·y2 + (m3 – x3)·y3 = (m1 – x1)·x2 + (m2 – x2)·(–x1)

m2 = <m – x, x> = (m1 – x1)·x1 + (m2 – x2)·x2 + (m3 – x3)·x3

m3 = <m – x, z> = (m1 – x1)·z1 + (m2 – x2)·z2 + (m3 – x3)·z3 = (m1 – x1)·(–x1 ·x3) + (m2 – x2)·(–x2·x3) + (m3 – x3)·(x2·x2 + x1·x1)

The equation gives the cross product of the vectors x ', y'. For a measured vector

whose components m1, m2, m3 are acceleration measurements in the output coordinate system, the following relationships apply:

m1 = <m -x, y> = (m1-x1) * y1 + (m2-x2) * y2 + (m3-x3) * y3 = (m1-x1) * x2 + (m2-x2) * ( x1)

m2 = <m - x, x> = (m1 - x1) · x1 + (m2 - x2) · x2 + (m3 - x3) · x3

m3 = <m - x, z> = (m1 - x1) · z1 + (m2 - x2) · z2 + (m3 - x3) · z3 = (m1 - x1) · (-x1 · x3) + (m2 - x2) · (-x2 · x3) + (m3 - x3) · (x2 · x2 + x1 · x1)

Dabei bedeutet < > das Skalarprodukt der Vektoren, die in den eckigen Klammern durch ein Komma getrennt sind. „m – x” ist ein Differenzvektor der Vektoren m und x. Mittels dieser Normierung wird ein Messvektor ohne Einfluss der Gravitation generiert. Das Zeichen · ist das Multiplikationszeichen.there means <> the scalar product of vectors separated by a comma in square brackets are. "M - x" is a difference vector of Vectors m and x. This standardization becomes a measuring vector generated without the influence of gravity. The character · is the multiplication sign.

Der Vektor x' wird aus der vermessenen Bewegung ermittelt. Dazu werden die Komponenten des Vektors über die Zeit gemittelt, wobei aktuelle Messwerte gewichtet in die Mittelwertberechnung einfließt. Der Vektor x' mit den Komponenten x1, x2 x3 kann exemplarisch wie folgt berechnet werden: x'_neu = a·m2 + b·x'_alt, d. h. der Wert x'_neu des aktuell Verarbeitungszyklus ist gleich der Summe aus den mit den Faktoren a und b gewichteten Summanden, wobei die Summanden die Komponente m2 des aktuellen Messwertes in Richtung von x' und der Wert x'_alt des vorangegangenen Verarbeitungszyklus sind.The vector x 'is determined from the measured movement. For this purpose, the components of the vector are averaged over time, whereby current measured values are weighted into the averaging calculation. The vector x 'with the components x1, x2 x3 can be calculated as an example as follows: x ' _new = a · m2 + b · x' _old , ie the value x ' _{new of} the current processing cycle is equal to the sum of the summands weighted by the factors a and b, the summands being the component m2 of the current measured value in the direction of x' and the value x ' _{old of} the preceding processing cycle.

Hierbei sind a und b so zu wählen, dass ihre Summe a + b gleich 1 ist. Die Parameter a und b werden vorzugsweise abhängig von der Abtastfrequenz des 3D-Sensors (der so genannten Samplingrate) gewählt. Z. B. hat sich a = 0,01 für die Samplingrate 20 Hz bewährt.in this connection choose a and b such that their sum a + b equals 1 is. The parameters a and b are preferably dependent selected from the sampling frequency of the 3D sensor (the so-called sampling rate). For example, a = 0.01 has been proven for the 20 Hz sampling rate.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch die Transformation unter Berücksichtigung von Informationen über eine andere Bewegung oder über einen Bewegungstyp bei der eigentlichen Analyse der Bewegung eine höhere Genauigkeit erzielt werden kann, da eine unerwartete, fehlerhafte oder geänderte Ausrichtung des 3D-Sensors in Bezug auf das Bewegungsobjekt erkannt wird und bei der Transformation berücksichtigt wird.One A significant advantage of the present invention is that through the transformation taking into account information about another movement or movement type in the actual analysis of the movement has a higher accuracy can be achieved as an unexpected, faulty or changed Orientation of the 3D sensor detected with respect to the motion object is taken into account and in the transformation.

Im Folgenden wird auf Beispiele von Bewegungen eingegangen.in the Following are examples of movements.

3 zeigt die Messwerte einer Laufbewegung einer Person in der Ebene, die senkrecht zu der Richtung des Beschleunigungsvektors des Gravitationsfeldes steht. Die horizontale Achse des Koordinatensystems in 3 ist ungefähr in Links/Rechts-Richtung der Laufbewegung ausgerichtet, d. h. etwa senkrecht zu der eigentlichen Laufrichtung. Die vertikale Achse in 3 ist daher ungefähr in Vorwärts/Rückwärts-Richtung der Laufbewegung ausgerichtet. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich der 3D-Sensor beim Laufen in der Hosentasche der Person befand, d. h. im Bereich der Hüfte angeordnet war. Der 3D-Sensor hat daher nicht die Bewegung des Massenschwerpunktes unmittelbar gemessen, sondern war seitlich vom Massenschwerpunkt angeordnet. Charakteristisch für die Laufbewegung ist in einem solchen Fall, dass der 3D-Sensor bestimmte Bewegungszyklen ausführt, aus denen man erkennen kann, in welcher Hosentasche sich der Sensor befunden hat, rechts oder links vom Massenschwerpunkt. Dargestellt sind in 3 und den folgenden Figuren Linien, die jeweils zwei zeitlich aufeinander folgende Messwerte des 3D-Sensors verbinden. Die Messwerte befinden sich daher an den Stellen, wo die Linie scharf abknickt. Außerdem ist in 3 und den folgenden Figuren jeweils die Hauptbewegungsachse durch eine Gerade dargestellt, die der Richtung der zweiten Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems entspricht. 3 shows the measured values of a person's movement in the plane, which is perpendicular to the direction of the acceleration vector of the gravitational field. The horizontal axis of the coordinate system in 3 is oriented approximately in the left / right direction of the running movement, ie approximately perpendicular to the actual direction of travel. The vertical axis in 3 is therefore oriented approximately in the forward / backward direction of the running motion. It should be noted that the 3D sensor while running in the pocket of the person was, ie was located in the hip. Therefore, the 3D sensor did not directly measure the movement of the center of mass, but was located laterally from the center of mass. In such a case, it is characteristic for the running movement that the 3D sensor executes certain movement cycles from which it is possible to see in which trouser pocket the sensor was located, to the right or left of the center of mass. Shown in 3 and the following figures, lines which each connect two temporally successive measured values of the 3D sensor. The measured values are therefore at the points where the line sharply kinks. It is also in 3 and the following figures each show the main axis of movement by a straight line which corresponds to the direction of the second coordinate axis of the transformed coordinate system.

Bei der Bewegung, die den Messwerten in 3 zugrunde liegt, befand sich der 3D-Sensor in der rechten Hosentasche der Person. 4 zeigt eine Laufbewegung, bei der sich der Sensor in der linken Hosentasche befand. Man erkennt in 3, dass die Verbindungslinien zwischen den Messpunkten in ihrem Gesamtbild einer 9 ähneln. Da sich der 3D-Sensor bei der 4 zugrunde liegenden Messung in der Hosentasche auf der gegenüber liegenden Seite befunden hat, bilden die Linien in 4 eine um eine vertikale Achse gespiegelte 9.When moving, the readings in 3 underlying the 3D sensor was in the right pocket of the person. 4 shows a running movement with the sensor in the left trouser pocket. One recognizes in 3 in that the connecting lines between the measuring points in their overall picture are similar to a 9. Since the 3D sensor in the 4 underlying measurement in the trouser pocket on the opposite side, forming the lines in 4 a 9 mirrored about a vertical axis.

5 zeigt Beschleunigungsmesswerte beim Laufen der Person, wobei jedoch der 3D-Sensor in Gegensatz zu den Bewegungen der 3 und 4 in der Körpermitte vor dem Massenschwerpunkt an der Gürtelschnalle eines im Hüftbereich getragenen Gürtels getragen wurde. 5 shows acceleration readings when walking, but the 3D sensor is in contrast to the movements of the person 3 and 4 in the middle of the body in front of the center of mass on the belt buckle of a hip area wearing belt was worn.

Die in 3 und 4 sowie auch in 5 eingezeichnete Hauptbewegungsachse wurde mittels einer Frequenzanalyse bestimmt. Dabei wird die Information über den Bewegungstyp ”laufen” verwendet, wonach die Frequenz der Rechts/Links-Bewegung halb so groß ist wie die Frequenz der Vor/Zurück-Bewegung. Z. B. wird für eine angenommene Ausrichtung des Koordinatensystems in der Ebene Rechts/Links und Vor/Zurück, wie sie z. B. in den 3 und 4 dargestellt ist, mittels Fourier-Transformation ermittelt, wie gut dieses Verhältnis der doppelt so großen bzw. halb so großen Bewegungsfrequenz erfüllt ist. Dieser Erfüllungsgrad wird durch eine Zahl bewertet. Dieses Verfahren wird für andere Ausrichtungen des Koordinatensystems Rechts/Links und Vor/Zurück wiederholt und die Übereinstimmung mit dem Prinzip der doppelten Frequenz wird wiederum bewertet. Das dabei gefundene Optimum, d. h. die Ausrichtung des Koordinatensystems mit der besten Bewertungszahl wird als korrekte Ausrichtung übernommen. Dabei ist die Richtung Vor/Zurück die Hauptbewegungsrichtung und damit die Richtung der zweiten Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems.In the 3 and 4 as well as in 5 drawn main axis of motion was determined by means of a frequency analysis. The information about the movement type "running" is used, according to which the frequency of the right / left motion is half the frequency of the forward / backward movement. For example, for an assumed alignment of the coordinate system in the level right / left and forward / back, as they are z. Tie 3 and 4 is shown, determined by means of Fourier transformation, how well this ratio of twice as large or half as large motion frequency is met. This degree of fulfillment is evaluated by a number. This procedure is repeated for other orientations of the right / left and forhead / back coordinate system and the agreement with the double frequency principle is again evaluated. The optimum found in this case, ie the orientation of the coordinate system with the best evaluation number is adopted as the correct orientation. The direction forwards / backwards is the main direction of movement and thus the direction of the second coordinate axis of the transformed coordinate system.

6 zeigt Messwerte eines 3D-Sensors, der von einer Person getragen wurde, während die Person in einem Straßenkraftfahrzeug gefahren ist. 6 shows readings of a 3D sensor worn by a person while the person is driving in a road vehicle.

Bei der passiven Bewegung eines Objekts in einem Straßenkraftfahrzeug kann die Hauptbewegungsachse durch das charakteristische, mit Hilfe des 3D-Sensors gemessene Bewegungsmuster festgestellt werden. Bei der Bestimmung des Bewegungs-Typs besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Beschleunigungsvorgänge aus der Ruhe in die Richtung der Hauptbewegungsachse zeigen. Ebenso wahrscheinlich ist es, dass Verzögerungen bis zum Stillstand ebenfalls in die Richtung der Hauptbewegungsachse zeigen. Die Hauptbewegungsachse wird daher vorzugsweise unter Berücksichtigung dieser hohen Wahrscheinlichkeiten ermittelt. Durch die daraus entstehende Kenntnis der Achsenlage ist man z. B. in der Lage, die Straßensituation (Autobahn, Landstraße, Fahren innerorts von geschlossenen Ortschaften etc.) besser zu identifizieren. Der Bewegungstyp „Autofahren” wird grundsätzlich zum Beispiel dadurch erkannt, dass das Verhältnis der Horizontalbeschleunigung zur Vertikalbeschleunigung ausgewertet wird und mit einem für dieses Bewegungsmuster typischen Wert verglichen wird. Außerdem kann eine für das Autofahren typische Vibration identifiziert werden, z. B. indem die Frequenzen der Vibration des Bewegungsobjektes als für das Autofahren typische Frequenzen identifiziert werden.at the passive movement of an object in a road vehicle The main axis of movement can be characterized by the characteristic, with the help of 3D sensors measured movement patterns are detected. In the Determining the motion type is a high probability that Acceleration processes from the rest in the direction of Show main axis of movement. It is equally likely that delays to a standstill also in the direction of the main axis of movement demonstrate. The main axis of movement is therefore preferably taken into consideration of these high probabilities. By the resulting Knowledge of the axis position is z. B. capable of the road situation (Highway, country road, driving in town of closed Localities etc.) better to identify. The movement type "Driving" becomes basically, for example, recognized by the fact that the ratio evaluated the horizontal acceleration to the vertical acceleration and with a typical for this movement pattern Value is compared. In addition, one for the Driving a typical vibration can be identified, eg. B. by the frequencies of vibration of the moving object as for Driving typical frequencies are identified.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 102005004086 A1 [0003, 0006, 0011, 0012, 0013, 0014, 0015, 0027, 0028]

Claims

Method for analyzing movements of Objects, in particular of objects, persons or other living beings, being Acceleration measurements with respect to three orthogonal axes of a first coordinate system (x, y, z) are present and wherein: - the acceleration measurements (A1, A2, A3) are transformed into a second coordinate system (x ', y', z '), - For the transformation into the second coordinate system (x ', y', z ') from the acceleration measurements (A1, A2, A3) the direction of a Gravitational field is determined in which the movement takes place or has taken place - the direction of the gravitational field as the direction of a first axis (x ') of the second coordinate system (x ', y', z ') is selected, - the direction a second axis of the second coordinate system (x ', y', z ') from a comparison of the acceleration measurements (A1, A2, A3) or derived movement information on the one hand with existing Information about another movement or about a movement type is determined on the other hand.

A method according to the preceding claim, wherein the acceleration measurements used for the comparison (A1, A2, A3) are measured values of the motion to be analyzed.

Method according to one of the preceding claims, the comparison and the transformation into the second coordinate system (x ', y', z ') after completion of the motion to be analyzed become.

Method according to one of the preceding claims, being repeated over the course of the motion to be analyzed or continuous acceleration measured values (A1, A2, A3) are evaluated, to determine the direction of the gravitational field and the first Axis (x ') of the second coordinate system (x', y ', z') to choose.

A method according to the preceding claim, wherein for continuous evaluation motion measurements (A1, A2, A3) be evaluated in each case over a period of time, in particular in each case a mean value of the movement measurement values (A1, A2, A3) is calculated, wherein the period in each case at a current Time of the movement measurement ends and goes back to the past.

Method according to one of the preceding claims, wherein for measuring the acceleration measurements, the environment of the object optical detected, wherein in the optical detection an am Object arranged camera in a time sequence each one Image of the environment captures and from it the acceleration measured values be determined.

Computer program that is designed, the procedure to carry out according to one of the preceding claims, if the computer program is on a computer or computer system is performed.

Disk on which the computer program is located the preceding claim is stored so that it in the Memory of the computer or computer system is loadable or directly on the disk of the computer or computer system readable and executable.

Device for analyzing movements of objects, in particular of objects, persons or other living beings, wherein acceleration measurement values (A1, A2, A3) are present with respect to three orthogonal axes of a first coordinate system (x, y, z) and wherein - the device is a transformation device ( 10 . 12 ), which is configured to transform acceleration measurement values (A1, A2, A3) into a second coordinate system (x ', y', z '), - the transformation device ( 10 . 12 ) a determination device ( 10 ), which is designed to determine the direction of a gravitational field in which the movement takes place or took place for the transformation into the second coordinate system (x ', y', z ') from the acceleration measured values (A1, A2, A3), The transformation device ( 10 . 12 ) is configured to select the direction of the gravitational field as the direction of a first axis (x ') of the second coordinate system (x', y ', z'), - the transformation device ( 10 . 12 ) a comparison device ( 12 ), which is configured, the direction of a second axis of the second coordinate system (x ', y', z ') from a comparison of the acceleration measurements (A1, A2, A3) or derived motion information on the one hand with existing information about another movement or On the other hand, to determine about a movement type.

Device according to the preceding claim, wherein the information obtained by the comparator ( 12 ) used acceleration measurements (A1, A2, A3) are measurements of the motion to be analyzed.

Device according to one of the preceding claims, the device being equipped, the comparison and the transformation into the second coordinate system (x ', y', z ') after completion of the perform the movement to be analyzed.

Device according to one of the preceding claims, wherein the determining device ( 10 ) has an evaluation device which is designed to repeatedly or continuously evaluate acceleration measurement values (A1, A2, A3) over the course of the movement to be analyzed in order to determine the direction of the gravitational field and to determine the first axis (x ') of the second coordinate system (x'). , y ', z').

Device according to the preceding claim, wherein the detection device ( 10 ) is configured, for continuous evaluation, to evaluate motion measured values (A1, A2, A3) in each case over a period of time, in particular in each case to calculate an average value of the motion measured values (A1, A2, A3), wherein the period ends in each case at a current instant of the motion measurement and goes back to the past.

Device according to one of the preceding claims, wherein the device comprises an analysis device ( 14 ), which is configured, at least one movement of an object whose acceleration measured values (A1, A2, A3) from the transformation device ( 10 . 12 ) have been transformed into the transformed coordinate system, the analysis device ( 14 ) with an output of the transformation device ( 10 . 12 ) connected is.

Device according to one of the preceding claims, the device also includes a 3D acceleration sensor for measuring the acceleration measurements, wherein the 3D acceleration sensor is designed to accelerate the object through the optical Measuring the environment to measure, and wherein in the optical detection a camera of the 3D acceleration sensor arranged on the object Captured images of the environment in a temporal sequence and an evaluation device from this the acceleration measured values are determined.