一种手部运动追踪系统及追踪方法技术方案
Hand movement tracking system and tracking method
The invention discloses a hand movement tracking system and a tracking method thereof. The attitude reference system based on accelerometer, gyroscope and magnetic sensor, and hand motion tracking method based on the attitude reference system are presented. First get three axis acceleration, the gyroscope accelerometer measurement of three axis angular velocity and magnetic sensor measurement of three axis magnetic field component, the host computer to the sensor data after the reception of the magnetic sensor error compensation error model is established by using the least square method, through the window low-pass filter to eliminate the high frequency noise and three axis acceleration. The gyro error model is established to compensate the random drift; through improved adaptive complementary filtering algorithm the gyroscope, accelerometer and magnetic sensor effectively fusion attitude angle and heading angle, finally through gravity compensation and discrete digital integral of the acceleration signal, hand movement speed and trajectory. The invention can be applied to the man-machine interaction system, and has the advantages of convenient operation and strong experience.
【技术实现步骤摘要】
一种手部运动追踪系统及追踪方法
本专利技术涉及惯性导航
，具体的说是涉及一种基于航姿参考系统的手部运动追踪方法。技术背景运动追踪是检测记录运动目标的动作和其轨迹，将其转化为数字化的“抽象运动”。通过运动追踪技术，用户就可以使用体态、手势等模态向计算机发出指令等，因此其是新一代人机交互中的关键技术之一。而随着MEMS技术的发展，MEMS传感器由于体积小、功耗低、性能优异而逐渐被应用在导航和运动捕获等领域。基于陀螺仪、加速度计和磁传感器的惯性式运动追踪系统，不仅有价格和尺寸大小的优势，而且能够提供更细致的运动参数数据。MEMS陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力，用于测量物体运动的角速度，其瞬时精度高，但在长期运动情况下偏移较大，且误差随时间累积逐渐增大。加速度传感器主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式，主要用于测量物体运动的加速度和重力加速度，其在运动过程中会受到载体振动的影响。磁传感器用于测量当地地磁场强度，虽然短期精度不如惯性器件，但不随运动时间而积累误差，可以采用合适的软件补偿消除噪声干扰。因此，如何融合多传感器的数据，滤除外部干扰，得到高可靠性高精度的姿态数据，是一项非常具有挑战性的工作。扩展卡尔曼滤波器是一种高精度的应用非常广泛的姿态解算算法，但是其计算量很大，对处理器的运算速度和精度要求很高。互补滤波器算法简单可靠，对惯性器件的精度要求较低，在运动姿态解算中的应用愈加广泛。但传统的互补滤波器算法在高速运动状态下，姿态角响应有一定的延迟，其动态性能不如卡尔曼滤波器。本专利技术设计了基于改进的自适应互补滤波器算...
【技术保护点】
一种手部运动追踪系统，其特征在于，包括加速度计、陀螺仪、磁传感器、MCU、电源模块和上位机，加速度计、陀螺仪、磁传感器分别与MCU通过IIC总线相连，MCU与上位机相连；加速度计、陀螺仪、磁传感器、MCU和上位机均通过电源模块供电；所述加速度计测量手部的三轴加速度，陀螺仪测量手部的三轴角速度，磁传感器测量手部的三轴磁场分量；上位机通过MCU获取上述三类原始传感数据(三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场分量)，分别对三类原始传感数据进行误差补偿，并通过改进型自适应互补滤波算法更新姿态，并结合姿态矩阵对手部的加速度信号进行重力补偿和离散数字积分，得到该时间段内的手部位移和其运动轨迹，实现手部运动的追踪。
【技术特征摘要】
1.一种手部运动追踪系统，其特征在于，包括加速度计、陀螺仪、磁传感器、MCU、电源模块和上位机，加速度计、陀螺仪、磁传感器分别与MCU通过IIC总线相连，MCU与上位机相连；加速度计、陀螺仪、磁传感器、MCU和上位机均通过电源模块供电；所述加速度计测量手部的三轴加速度，陀螺仪测量手部的三轴角速度，磁传感器测量手部的三轴磁场分量；上位机通过MCU获取上述三类原始传感数据(三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场分量)，分别对三类原始传感数据进行误差补偿，并通过改进型自适应互补滤波算法更新姿态，并结合姿态矩阵对手部的加速度信号进行重力补偿和离散数字积分，得到该时间段内的手部位移和其运动轨迹，实现手部运动的追踪。2.一种权利要求1所述的手部运动追踪系统的追踪方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)加速度计测量手部的三轴加速度，陀螺仪测量手部的三轴角速度，磁传感器测量手部的三轴磁场分量；(2)MCU通过IIC总线接收加速度计测量到的三轴加速度、陀螺仪测量到的三轴角速度和磁传感器测量的三轴磁场分量，并发送给上位机；(3)上位机先对三轴磁场分量通过最小二乘法建立误差模型，消除环境中的磁场干扰；其次对三轴加速度采用窗口低通滤波，消除高频噪声信号，最后对三轴角速度进行误差建模，并对其随机偏移进行误差补偿；(4)将步骤3得到的窗口低通滤波后的加速度信号通过三轴分量的关系求解手部的初始横滚角和俯仰角。将步骤3处理得到的三轴磁场分量通过上述初始姿态角(横滚角和俯仰角)进行倾斜补偿后，计算出初始航向角。根据上述初始横滚角、俯仰角和航向角可以得到姿态四元数，从而根据姿态四元数建立四元数姿态矩阵；(5)重复步骤1-3，获得下一时刻的校正后的三轴磁场分量、三轴加速度、三轴角速度。将三轴磁场分量、三轴加速度和步骤4得到的四元数姿态矩阵的对应分量做向量叉积，从而修正校准陀螺仪偏移；并根据一阶龙格库塔方程得到更新的姿态四元数，根据姿态四元数得到姿态角和航向角；(6)由步骤5得到的惯性传感器的姿态角和航向角，可获得惯性传感器的最佳姿态矩阵将步骤5得到的加速度计的三轴加速度通过姿态矩阵从手部坐标系下转换到地理坐标系下，再对三轴加速度进行重力补偿,得到补偿后的加速度。最后对补偿后的加速度进行离散数字积分，得到手部的位置和速度信息，在屏幕上定位手部所移动过的位置，从而实现运动追踪。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，上位机对三轴磁场分量通过最小二乘法建立误差模型，具体如下：建立三轴磁场分量误差模型方程如下：mx0＝kxmx+bxmy0＝kyγmx+kymy+bymz0＝kzβmx+kzαmy+kzmz+bz其中，kx，ky，kz是标度系数误差，γ，β，α是三轴垂直度误差，bx，by，bz是三轴零偏误差，mx，my，mz是磁传感器测得的三轴磁场分量，mx0，my0，mz0是三轴磁场分量的理想值。通过将上述模型变换到到椭球曲面方程形式，利用最小二乘法，得到kx，ky，kz，γ，β，α，bx，by，bz，从而获得三轴磁场分量误差模型。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述椭球曲面方程的最小二乘法求解方法具体为：假设手部所在地球空间的地磁场强度为m0，则有：||m0||2＝mx02+my02+mz02将权利要求3中所述的三轴磁场分量误差模型代入上式，可得：||m0||2＝kxmx2+kymy2+kzmz2+2ky2γmxmy+2kz2βmxmz+2kz2αmymz+2kxbxmx+2kybymy+2kzbzmz该方程对应为一般的椭球曲面方程，其中A＝[kx,ky,kz,2ky2γ,2kz2β,2kz2α,2kxbx,2kyby,2kzbz]T，表示待求椭球的曲面参数向量，m＝[mx2,my2,mz2,2mxmy,2mxmz,2mymz,2mx,2my,2mz]T，表示测量数据的运算组合向量。获取n组数据对上述方程进行求解，n≥9；将上述模型改写成矩阵形式如下：||m0||2＝mTA模型残差可写为：ε(i)＝m(i)A-||m0(i)||2其中i表示第i组实验数据。m表示磁传感器测得的三轴磁场分量，m0表示三轴磁场分量的理想值。最小二乘原理是寻求使得模型残差平方和最小的被估参量，即：将方程组中的向量都改写成矩阵形式，模型残差可用MTA-M0下式表示：其中定义：最小化残差平方和，令可得曲面参数向量A的最小二乘估计值是：根据实验数据M，M0即可以得到曲面参数向量A的估计值，从而完成磁传感器误差模型的建立。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，对三轴加速度信号进行窗口低通滤波，步骤具体如下：本发明中对加速度信号用中值滤波器滤除数据中的高频噪声，设滤波器窗口A的长度l，观测值为x1，x2，…，xN，N为观测值个数，即当窗口A在原始序列上移动时，中值滤波器设计如下：在任意时刻窗口内的观测数据重新按照数值大小排序，当长度l为奇数时，取中间数据作为本次滤波器的输出。当长度l为偶数时，取中间两个数据的平均平均值作为本次滤波器的输出。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，对三轴角速度进行误差建模，并对其随机偏移进行误差补偿，步骤具体如下：在一定测量时间内，陀螺仪的误差模型可用下式表示：wm＝w0+ε+ε0+δn(t)wm是陀螺仪的实际测量值,w0是陀螺仪的理论值，ε是时变漂移，ε0是常值零偏，n(t)是高斯白噪声，其强度为δ。通过陀螺仪的数字可编程的低通滤波器，滤掉ε和δn(t)，而对于常值零偏ε0，将陀螺仪静止一段时间，取静态下陀螺仪的均值输出作为常值零偏ε0。因此，陀螺仪校正后输出w0可由下式来表示：w0＝wm-ε0。7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取初始姿态角和四元数姿态矩阵的处理步骤具体如下：首先，利用步骤3得到的窗口低通滤波后的加速度信号(ax,ay,az)通过三轴分量的关系求解手部的初始横滚角θ和俯仰角φ：φ＝-arcsin(ax)θ＝-arctan2(ay,az)将步骤3处理得到的三轴磁场分量通过上述初始姿态角(横滚角和俯仰角)进行倾斜补偿，将手部坐标系上的磁场分量转换到地理坐标系，可得手部的初始航...
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