基于人体分布惯性节点矢量测距的三维位姿测量方法技术

本发明专利技术请求保护一种基于人体分布惯性节点矢量测距的三维位姿测量方法。该方法在行人左右腿的踝关节均安装测距模块与惯性节点，每个惯性节点内部集成三轴加速度计、角速度计及磁力计。利用测距模块测量行人踝关节间的实时距离信息；利用惯性节点计算出踝关节节点处的姿态角信息。通过运动过程中三个轴向上的加速度信息及姿态角信息并结合之前的测距信息，得到各时间片段内的矢量信息。通过矢量信息及姿态角信息可以实时追踪行人在三维空间域中的位置与姿态信息，简称位姿信息。本发明专利技术的参数直观、可靠，具有自主测量、不使用估计量、不受特征参数约束的特点。

Three dimensional pose measurement method based on human body distributed inertial node vector ranging

【技术实现步骤摘要】
基于人体分布惯性节点矢量测距的三维位姿测量方法
本专利技术属于行人惯性导航定位领域，特别涉及一种基于人体分布惯性节点矢量测距的三维位姿测量方法。
技术介绍
步态分析与步长计算是惯性导航定位领域的关键点。通过分析行人的步态信息，可以对人体的生理信息，运动行为，健康状况进行估计。通过提升步长计算精度，可以提高最终的导航定位精度。当前，研究人员对运动估计系统做了大量的研究。主要分为三大类，一类是基于光学方法，如利用Vicon系统对人体数据进行采集，采集的信息可应用于体育运动分析及生物医学研究，但是存在设备价格昂贵且需要事先布置传感器的缺点；一类则是利用视觉追踪平台，通过相应的计算机技术与图像处理技术，提取人体运动的参数信息，进而分析步态信息、计算步幅长度，如杭州电子科技大学张松等人[张松.基于深度相机的人体动作评价方法[D].杭州电子科技大学,2018.]通过Kinect深度相机采集深度图像，使用Kalman-Meanshift跟踪方法实现了较好的深度图像人体目标跟踪效果，但是存在算法复杂，无法适用于实时操作系统的问题；一类是借助可穿戴设备，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人体分布惯性节点矢量测距的三维位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，在行人左右腿的踝关节处安装测距模块及惯性节点，其中惯性节点实时采集安装节点的加速度信息、角速度信息及磁场强度信息，测距模块实时采集两个节点间的距离信息；/n步骤2，初始阶段，利用惯性节点采集到的加速度信息与磁场强度信息得到参考姿态角信息；/n步骤3，利用踝关节节点处的合加速度信息对两个节点的运动状态进行估计，区分运动状态与静止状态；/n步骤4，对于静止状态的节点通过零速修正减小误差，对于运动状态的节点利用陀螺仪对姿态角信息进行实时更新，得到节点当前姿态信息，并结合参考姿态角信息得到姿态角变化的结果；/...

【技术特征摘要】
1.一种基于人体分布惯性节点矢量测距的三维位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在行人左右腿的踝关节处安装测距模块及惯性节点，其中惯性节点实时采集安装节点的加速度信息、角速度信息及磁场强度信息，测距模块实时采集两个节点间的距离信息；
步骤2，初始阶段，利用惯性节点采集到的加速度信息与磁场强度信息得到参考姿态角信息；
步骤3，利用踝关节节点处的合加速度信息对两个节点的运动状态进行估计，区分运动状态与静止状态；
步骤4，对于静止状态的节点通过零速修正减小误差，对于运动状态的节点利用陀螺仪对姿态角信息进行实时更新，得到节点当前姿态信息，并结合参考姿态角信息得到姿态角变化的结果；
步骤5，利用姿态角变化的结果以及加速度计敏感到的三个轴向上的加速度信息得到矢量的角度信息；
步骤6，根据测距模块提供的两节点间的距离信息以及矢量的角度信息，获取节点的实时位置信息；
步骤7、综合行人单步的运动信息，实现人员定位功能。


2.根据权利要求1所述的一种基于人体分布惯性节点矢量测距的三维位姿测量方法，其特征在于，所述步骤1中，在行人左右腿的踝关节处安装测距模块及惯性节点，其中惯性节点实时采集安装节点的加速度信息、角速度信息及磁场强度信息，测距模块实时采集两个节点间的距离信息，具体包括：通过调整测距模块的功率、选择合适的定向天线及馈线等方式来实现测距模块的近距离高精度测距功能，可以实时测量踝关节节点间的距离信息。通过惯性节点实时采集节点处的运动信息。


3.根据权利要求1所述的一种基于人体分布惯性节点矢量测距的三维位姿测量方法，其特征在于，所述步骤2中，初始阶段，利用惯性节点采集到的加速度信息与磁场强度信息得到参考姿态角信息；在初始阶段，人体的左足与右足均处于支撑阶段，此时，踝关节节点处于静止状态，因此，可以通过加速度计与磁力计计算该状态下的姿态角信息，作为踝关节节点的初始姿态角即参考姿态角，如式(1)所示：



其中，θ1、γ1、ψ1分别代表俯仰角、横滚角、航向角，Ax、Ay、Az分别代表三轴加速度信息，mx、my、mz代表三轴磁力计的强度信息。


4.根据权利要求3所述的一种基于人体分布惯性节点矢量测距的三维位姿测量方法，其特征在于，所述步骤3中，利用踝关节节点处的合加速度信息对两个节点的运动状态进行估计，区分运动状态与静止状态，具体包括：通过阈值条件，对足部的运动状态进行判断，判断方法如式(2)所示：



其中，Ath代表区分运动状态与静止状态的阈值，Anorm代表合加速度，当合加速度Anorm大于阈值Ath时，代表节点处于运动状态；当合加速度Anorm小于阈值时Ath，代表节点处于静止状态。


5.根据权利要求4所述的一种基于人体分布惯性节点矢量测距的三维位姿测量方法，其特征在于，所述步骤4中，当踝关节节点处于静止状态时，通过卡尔曼滤波技术进行数据融合，估计系统的误差并利用误差的估计值对系统参数进行校正，如式(3)所示：



其中，F是误差模型与状态量所构成的系统矩阵，W为系统随机过程噪声序列，V是系统观...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽欣，刘宇，路永乐，邸克，邹新海，曹加昇，刘茄鑫，谢金池，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50