一种人体模型驱动系统技术方案

本发明专利技术公开了一种人体模型驱动系统，系统包括可穿戴惯性测量单元、数据中转路由器、数据接收及模型展示上位机。本发明专利技术实现了使用可穿戴惯性测量单元实时驱动人体模型的系统，通过可穿戴惯性测量单元进行数据采集并上传，通过数据中转路由器进行数据的转发，由上位机进行数据接收、时间对齐、姿态解算、坐标轴转换、人体模型驱动与显示，最终实现一个可以由外界人体动作实时驱动上位机人体模型的系统。本发明专利技术实现了一个使用可穿戴惯性测量单元实时驱动人体模型的系统，解决了多节点通讯基准不一、上位机数据接收、姿态解算、坐标轴对应的问题，同时又实现了在使用时各惯性测量单元之间相互独立、无线缆连接。无线缆连接。无线缆连接。

【技术实现步骤摘要】
一种人体模型驱动系统


[0001]本专利技术实施例涉及运动测量领域，主要为提出一种人体模型驱动系统

技术介绍

[0002]我国运动竞技项目近十年来成绩进步显著。当前，我国运动员水平已与欧美强国差距不大，部分高水平运动员距离世界顶尖水平也只有毫厘之差。无论职业运动员还是运动爱好者均希望通过观察自身不足，提高自身运动水平。因此如何测量运动过程中的动作，并进行反演至关重要。
[0003]在上述需求牵引下，针对运动测量需求及关键技术开展了大量技术攻关和研究工作，本系统针对运动反演展开设计工作，主要目的为直观展示运动时姿态，方便运动员定位自身不足。

技术实现思路

[0004]基于以上要求，本专利技术设计了一种实时驱动的人体模型驱动系统。
[0005]本专利技术的技术方案为：一种人体模型驱动系统，包括可穿戴惯性测量单元、数据中转路由器、数据接收及模型展示上位机；
[0006]所述可穿戴惯性测量单元，用于测量人体预设位置的加速度和角速度信息，并确保测量的数据实时传输至数据中转路由器；
[0007]数据中转路由器与可穿戴惯性测量单元以及数据接收机及模型展示上位机之间通过WIFI信号建立无线链路，通过所述无线链路，将接收到的加速度、角速度信息实时上传至数据接收及模型展示上位机，将数据接收机模型展示上位机下发的指令转送至可穿戴惯性测量单元；
[0008]数据接收及模型展示上位机从随机、充满噪声的原始运动信号中，反演出人体运动。
[0009]优选的，所述可穿戴惯性测量单元由9个IMU传感器组成，分别佩戴于人体的左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左上臂，左下臂，右上臂、右下臂和腰部，用于将敏感到的四肢和腰部的加速度、角速度参数进行数据采集、数据保存、数据实时上传。
[0010]优选的，所述IMU传感器内置数据存储模块以及可反复充电的聚合物理电池。
[0011]优选的，IMU传感器收到“实时测试开始指令”后，开始测量并实时回复“实时测试数据帧”；IMU传感器收到“实时测试结束指令”后，回复“实时测试结束回复帧”，然后保持WIFI开状态；如果未接收到“实时测试结束指令”但数据存储模块此时已经存满，无法继续实时测试，则IMU传感器在发送完最后一帧数据后，按预设协议主动发送一次“实时测试结束回复帧”，告知数据接收及模型展示上位机IMU传感器已停止实时测试，然后退出实时测试模式。
[0012]优选的，所述数据接收及模型展示上位机包括数据接收模块、数据分析模块；
[0013]数据接收模块将接收的IMU传感器数据存储在本地文件中，存储完成后，将文件路
径插入到任务队列中；
[0014]数据分析模块从任务队列中拉取数据，对对应文件进行分析并将计算结果存储到数据库中；
[0015]所述分析为负责将收取到的数据进行解析，判断是否每帧数据的帧头校验和均无误、帧序号连续无丢帧，如发现存在帧头校验和有误、帧序号不连续的问题会给出“数据不完整”提示，确保无问题后将各传感器数据实现数据时间对齐，并根据数据判断运动状态，用来进行姿态解算。
[0016]优选的，所述的姿态解算采用SINS捷联惯导更新算法更新人体在运动或步行过程中的姿态、速度和位置信息；利用零速区间内速度误差和航向角误差作为观测量，建立卡尔曼滤波器，来估计速度误差、位置误差以及姿态角误差，然后将估计到的各项误差补偿到相应的变量中，得到接近于状态变量真值的估计。
[0017]优选的，在摆动相区间,卡尔曼滤波器只进行时间更新，不进行观测量更新；当检测到零速，即在支撑相区间，卡尔曼滤波器进行时间更新与量测更新。
[0018]优选的，数据分析模块根据多个IMU传感器数据判定人体处于静止状态，则进行初始标定，通过加速度信息和磁场强度信息计算得到各IMU传感器姿态角，进而得到载体坐标系到导航坐标系的初始姿态矩阵，解决了人体佩戴安装问题，确保人体模型与外界人体的对应情况。
[0019]优选的，数据接收及模型展示上位机使用全局坐标系对所有关节进行驱动，实现了各关节之间的解耦，具体实现方式如下：
[0020]依据姿态解算中得到的参考坐标系下角速度检测步行过程中的转向点，根据转向点对数据进行分段，每段数据的运动方向都是直线；
[0021]对每段数据分别计算参考坐标系到全局坐标系的旋转矩阵，在此基础上将数据转换到统一的全局坐标系下。
[0022]优选的，本专利技术实现了对以背部为核心的人体模型的脚部位移驱动，数据精度高，具体实现方式如下：数据分析模块利用背部的约束条件和下肢长度对小腿传感器的估算位置进行校正，并从小腿传感器的位置推断出大腿传感器的位置，将位置和旋转角度数据存储到数据库中。
[0023]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0024]通过无线WIFI通讯方式，采用TCP协议发送上线报到信息给数据中转路由器，进而与之建立起稳定可靠的无线数据传输链路。所有指令的下发与测量数据的上传均通过无线WIFI方式进行传输，大大降低了采用传统有线通信方式的步态测量系统在设备连接、穿戴、信息传输时的复杂度，极大提高了系统的应用便捷性。
[0025]对收取到的数据进行解析，判断是否每帧数据的帧头校验和均无误、帧序号连续无丢帧，如发现存在帧头校验和有误、帧序号不连续的问题会给出“数据不完整”提示，确保无问题后才将各传感器数据实现数据时间对齐。
具体实施方式
[0026]下面结合附图对本专利技术做详细说明。
[0027]本专利技术最终实现一个可以由外界人体动作实时驱动上位机人体模型的系统。本发
明实现了一个使用可穿戴惯性测量单元实时驱动人体模型的系统，解决了多节点通讯基准不一、上位机数据接收、姿态解算、坐标轴对应的问题，同时又实现了在使用时各惯性测量单元之间相互独立、无线缆连接。
[0028]本系统的工作路程如图1所示，一种人体模型驱动系统，可穿戴惯性测量单元、数据中转路由器、数据接收及模型展示上位机(简称上位机)。
[0029]其中可穿戴惯性测量单元由9个IMU传感器组成，分别佩戴于人体的左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左上臂，左下臂，右上臂、右下臂和腰部，用于将敏感到的四肢和腰部的加速度、角速度参数进行数据采集、数据保存、数据上传等功能，确保数据实时传输至数据中转路由器。
[0030]多个IMU传感器组成可穿戴传感器数据收集模块，利用传感器中的加速度计和陀螺仪，来测量对应位置的加速度和角速度信息，收集下肢不同佩戴部位的运动数据。可穿戴传感器采用无线传感技术，内置数据存储模块及可反复充电的聚合物锂电池，使用时无需任何线缆，几乎不会对佩戴者产生任何负担，且佩戴简单、易于操作。
[0031]数据中转路由器将接收到的左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左上臂，左下臂，右上臂、右下臂和腰部的加速度、角速度信息通过WIFI信号建立无线链路，进行数据采集、数据上传等功能，实时上传至数据接收及模型展示上位机。
[0032]无线数据实时传输、各传感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人体模型驱动系统，其特征在于：包括可穿戴惯性测量单元、数据中转路由器、数据接收及模型展示上位机；所述可穿戴惯性测量单元，用于测量人体预设位置的加速度和角速度信息，并确保测量的数据实时传输至数据中转路由器；数据中转路由器与可穿戴惯性测量单元以及数据接收机及模型展示上位机之间通过WIFI信号建立无线链路，通过所述无线链路，将接收到的加速度、角速度信息实时上传至数据接收及模型展示上位机，将数据接收机模型展示上位机下发的指令转送至可穿戴惯性测量单元；数据接收及模型展示上位机从随机、充满噪声的原始运动信号中，反演出人体运动。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述可穿戴惯性测量单元由9个IMU传感器组成，分别佩戴于人体的左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左上臂，左下臂，右上臂、右下臂和腰部，用于将敏感到的四肢和腰部的加速度、角速度参数进行数据采集、数据保存、数据实时上传。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述IMU传感器内置数据存储模块以及可反复充电的聚合物理电池。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：IMU传感器收到“实时测试开始指令”后，开始测量并实时回复“实时测试数据帧”；IMU传感器收到“实时测试结束指令”后，回复“实时测试结束回复帧”，然后保持WIFI开状态；如果未接收到“实时测试结束指令”但数据存储模块此时已经存满，无法继续实时测试，则IMU传感器在发送完最后一帧数据后，按预设协议主动发送一次“实时测试结束回复帧”，告知数据接收及模型展示上位机IMU传感器已停止实时测试，然后退出实时测试模式。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述数据接收及模型展示上位机包括数据接收模块、数据分析模块；数据接收模块将接收的IMU传感器数据存储在本地文件中，存储完成后，将文件路径插入到任务队列中；数据分析模块从任务队列中拉取数据，对对应文件进行分析并将计算结果存储到数据库中；所述分析为负责将收取...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥涛，向政，付尧顺，葛宏升，赵合，黄磊，
申请(专利权)人：北京航天时代光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：