【技术实现步骤摘要】
本申请涉及一种人体下肢运动环境识别方法、系统、设备及介质，属于数据识别领域。
技术介绍
1、下肢外骨骼是一套包含机械系统、传感系统、控制系统、动力系统的人体下肢运动辅助设备，目的是辅助使用者进行日常生活中的下肢运动，减少下肢运动的能量消耗。在人体下肢运动过程中，不同的地形中使用者下肢的运动模式不一样，如在平地下肢的运动模式为行走、在上升楼梯处下肢的运动模式为上楼梯。而针对不同的运动环境地形，外骨骼需要切换不同的控制模式，以实现与人体下肢运动更好的耦合。
2、传统方法是通过感知人体运动状态的变化进行模式切换的控制，具有滞后性的缺点。因此，考虑通过对环境地形的直接识别，降低甚至消除这种滞后，实现外骨骼更好的闭环控制。
技术实现思路
1、有鉴于此，本申请提供了一种人体下肢运动环境识别方法、系统、移动终端设备及可读存储介质，其通过布置于人体腰部的感知系统，能够实现人体下肢运动过程中，前方的平地、障碍物、上升楼梯、下降楼梯、上升斜坡、下降斜坡共六种地形的在线识别，同时降低算法的复杂度，提高系统的便携性、穿戴性和可应用性。
2、本申请实施例第一方面公开了一种人体下肢运动环境识别方法，由移动终端设备执行，所述移动终端设备与下肢外骨骼感知设备连接，所述下肢外骨骼感知设备包括设置在腰部的深度相机和imu，所述方法包括：
3、根据所述深度相机回传第一环境地形点云数据和所述imu回传欧拉角数据，将所述第一环境地形点云数据转换至世界坐标系下；
4、转换之后，
5、将所述第二环境地形点云数据投影至人体解剖学的矢状面上，得到二值图像；
6、对所述二值图像进行形态学处理和特征提取，得到多个特征；
7、基于所述多个特征，使用svm分类器实现对人体前方平地、障碍物、上升楼梯、下降楼梯、上升斜坡和下降斜坡的在线识别。
8、作为优选的实施方式，所述根据所述深度相机回传第一环境地形点云数据和所述imu回传欧拉角数据，将所述第一环境地形点云数据转换至世界坐标系下，如下式：
9、
10、其中，pw为世界坐标系下的点云数据；pimu为imu坐标系下的点云数据；表征相机坐标系和imu坐标系的姿态关系的旋转矩阵，表征imu坐标系和世界坐标系的姿态关系的旋转矩阵，如下式：
11、
12、
13、其中，β和γ是imu回传的偏航角和滚动角。
14、作为优选的实施方式，通过直通滤波去除预设目标范围之外的点云数据；
15、所述直通滤波的范围为：z轴范围为[-2.4m,0.8m]、y轴范围为[0.2m,1.75m]和x轴范围为[-0.17m,0.23m]的区域。
16、作为优选的实施方式，所述投影的规则，如下式：
17、
18、
19、其中，155×320表示投影二值图尺寸。
20、作为优选的实施方式，所述对所述二值图像进行形态学处理，包括:
21、针对所述二值图像，使用3×3的结构元素进行开运算，使用5×5的结构元素进行闭运算。
22、作为优选的实施方式，所述多个特征包括20维特征，所述20维特征包括：
23、外接矩形宽wrect，外接矩形高hrect，外接矩形左上角点y轴坐标最小外接矩形宽wminrect，最小外接矩形高hminrect，最小外接矩形左上角点y轴坐标最小外接矩形倾角图像质心y轴坐标ycentroid，角点拟合直线斜率k；角点拟合直线平均绝对离差mad，水平线比例rhl，竖直线比例rvl，最小外接矩形像素密度ρminrect；以质心为中心点，外接矩形区域划分的四个子区域像素密度ρr1、ρr2、ρr3、ρr4；水平子区域像素密度比ph，垂直子区域像素密度比pv，对角子区域像素密度比pd。
24、作为优选的实施方式，所述svm分类器为多元svm分类器，分类目标类别数量为6，核函数为径向基函数。
25、本申请实施例第二方面公开了一种人体下肢运动环境识别系统，应用于移动终端设备，所述移动终端设备与下肢外骨骼感知设备连接，所述下肢外骨骼感知设备包括设置在腰部的深度相机和imu，所述系统包括：
26、转换单元，用于根据所述深度相机回传第一环境地形点云数据和所述imu回传欧拉角数据，将所述第一环境地形点云数据转换至世界坐标系下；
27、去除单元，用于转换之后，针对所述第一环境地形点云数据，去除预设目标范围之外的点云数据，得到第二环境地形点云数据；
28、投影单元，用于将所述第二环境地形点云数据投影至人体解剖学的矢状面上，得到二值图像；
29、处理与提取单元，用于对所述二值图像进行形态学处理和特征提取，得到多个特征；
30、在线识别单元，用于基于所述多个特征，使用svm分类器实现对人体前方平地、障碍物、上升楼梯、下降楼梯、上升斜坡和下降斜坡的在线识别。
31、本申请实施例第三方面公开了一种移动终端设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现本申请实施例公开的任意一种人体下肢运动环境识别方法。
32、本申请实施例第四方面公开了一种可读存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现本申请实施例公开的任意一种人体下肢运动环境识别方法。
33、与现有技术相比，本申请实施例具有如下有益效果：
34、本申请实施例基于android手机搭建外骨骼感知系统软硬件平台，相比于传统使用电脑作为上位机的外骨骼系统，提高了系统的便携性、穿戴性和可应用性。本申请实施例将视觉传感器应用于外骨骼感知研究，通过将环境深度信息投影至二值图，并通过提取二值图特征、使用svm分类器进行分类识别的方法进行地形识别，降低了算法的复杂度。
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1.一种人体下肢运动环境识别方法，其特征在于，由移动终端设备执行，所述移动终端设备与下肢外骨骼感知设备连接，所述下肢外骨骼感知设备包括设置在腰部的深度相机和IMU，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述深度相机回传第一环境地形点云数据和所述IMU回传欧拉角数据，将所述第一环境地形点云数据转换至世界坐标系下，如下式：
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，通过直通滤波去除预设目标范围之外的点云数据；
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述投影的规则，如下式：
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述对所述二值图像进行形态学处理，包括:
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述多个特征包括20维特征，所述20维特征包括：
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述SVM分类器为多元SVM分类器，分类目标类别数量为6，核函数为径向基函数。
8.一种人体下肢运动环境识别系统，其特征在于，应用于移动终端设备，所述移动终端设备与下肢外骨骼感知设备连接，所述下肢外
9.一种移动终端设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1～7任一项所述方法。
10.一种可读存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1～7任一项所述方法。
...【技术特征摘要】
1.一种人体下肢运动环境识别方法，其特征在于，由移动终端设备执行，所述移动终端设备与下肢外骨骼感知设备连接，所述下肢外骨骼感知设备包括设置在腰部的深度相机和imu，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述深度相机回传第一环境地形点云数据和所述imu回传欧拉角数据，将所述第一环境地形点云数据转换至世界坐标系下，如下式：
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，通过直通滤波去除预设目标范围之外的点云数据；
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述投影的规则，如下式：
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述对所述二值图像进行形态学处理，包括:
6.根据权利要求1所述方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：王念峰，付涛，林桂峰，张宪民，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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