运动姿态数据获取、人体运动姿态追踪方法及相关设备技术

本发明专利技术提供的运动姿态数据的获取方法包括：记录运动物体处于第一测量航向角时的地磁场强度作为第一磁场量；当运动物体运动至第二测量航向角时，将运动物体所在位置的地磁场强度的方向回转第二测量航向角与第一测量航向角差值大小的角度，并记录该位置的地磁场强度作为第二磁场向量；将第一磁场强度与第二磁场强度按照预设规则运算后得到磁场强度观测量；将所述磁场强度观测量与所述运动物体的测量姿态数据进行递归自回归滤波，得到所述运动物体的姿态数据。本发明专利技术还提供了一种运动姿态数据的获取装置以及一种人体运动姿态追踪方法与系统。本发明专利技术引入地磁场强度，解决了角速度测量时产生的累积误差问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微机械(MEMQ领域，尤其涉及一种运动姿态数据获取、人体运动姿态追踪方法及相关设备。
技术介绍
运动物体的姿态追踪技术，已广泛运用于各领域，尤其在航天航海、天线雷达、人体运动姿态建模等领域。近年，随着MEMS的迅速发展，运动姿态追踪技术逐渐融合进MEMS 的理念，将运动姿态追踪所需的测量部件微型化、集成化，形成集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路等于一体的微型运动姿态追踪设备。这些设备具有成本低、体积小、重量轻等特点，因而广受人们青睐。运动物体的姿态追踪需要首先获得运动物体的姿态数据。现有技术中，常用微型运动姿态数据获取设备来收集姿态数据，该设备主要集成有陀螺仪器件，将该设备安装于目标物体上后，处于工作状态的陀螺仪传感器将收集运动物体的姿态数据(横滚角、俯仰角、航向角)。运动姿态数据获得后即可利用该数据对该运动物体的虚拟模型进行驱动，从而实时再现运动物体的运动过程，实现追踪。在进行人体运动姿态追踪时，多个集成有陀螺仪器件的微型运动姿态数据获取设备绑定在人体的主要关节部位，通过这些器件收集人体各运动部位的姿态数据，然后利用这些数据驱动人体模型相应部位运动，并用3D画面直观地显示出人体运动过程，从而实现人体运动姿态追踪。然而，陀螺仪器件测量的运动物体姿态数据具有误差，必须进行修正后才能真实地反应出运动物体的运动姿态。这种误差产生的大致过程是陀螺仪器件直接测量的数据为角速度，该角速度值为瞬间量，大多数情况下不能直接使用，而需要对该角速度进行时间积分，得到角度变化量，然后加上初始角度作为最后的角度值才是运动物体的姿态数据，这种积分过程积分时间(dt)越小，得到的角度值越准确，由于陀螺仪测量基准是其自身而非外在的绝对参照物，加之积分时间(dt)不可能无限缩小，积分的累积误差将随时间推移迅速增加，进而导致测量的运动姿态数据与实际数据发生偏差。一种解决陀螺仪积分累积误差的方法是在运动姿态追踪设备中增加加速度传感器，用于测量重力方向的加速度数值， 在无外力加速度情况下，可较为准确地输出运动物体的横滚角和俯仰角，如果有外力加速作用，通过具有递归自回归滤波功能的卡尔曼滤波器进行数据融合，最后得出运动物体的运动姿态数据。但是，由于加速度测量的重力方向与航向角正交，无法用加速度传感器消除水平方向的陀螺仪累积误差，导致运动姿态的航向角数据与实际值不相符合，进而在进行运动物体追踪时不能准确地追踪运动物体。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术在现有系统中增加地磁场传感器件，通过将该传感器件收集到的地磁场数据作为观测值输入递归自回归单元中进行数据融合，利用递归自回归单元的递归收敛功能消除角速度仪在水平方向的累积误差，得到最优的姿态数据，进而较好地实现运动物体的追踪。本专利技术提供的运动姿态数据的获取方法包括记录运动物体处于第一测量航向角时的地磁场强度，该地磁场强度作为第一磁场强度，所述第一测量航向角的数值与所述运动物体的真实航向角的数值相同；当运动物体运动至第二测量航向角时，将所述运动物体所在位置对应的地磁场强度的方向回转α角度，所述α的数值为第二测量航向角与第一测量航向角之差，记录回转 α角度后的位置的地磁场强度，该地磁场强度作为第二磁场强度；将所述第一磁场强度与第二磁场强度按照预设规则运算后得到磁场强度观测量；将所述磁场强度观测量与所述运动物体的测量姿态数据进行递归自回归滤波，得到所述运动物体的姿态数据。优选地，所述第一测量航向角为零度航向角。优选地，在将所述磁场强度观测量与运动物体测量姿态数据进行递归自回归滤波时，所述方法还包括分别提取所述磁场强度观测量和测量姿态数据的数据变化率和超量程时间百分比；将所述数据变化率与超量程时间百分比相乘分别得到第一动态调整系数和第二动态调整系数；将所述第一动态调整系数乘以获取所述磁场强度观测量时产生的观测噪声协方差得到更新后的观测噪声协方差，并将所述第二动态调整系数乘以所述测量姿态数据时产生的激励噪声协方差得到更新后的激励噪声协方差；将所述更新后的观测噪声协方差和激励噪声协方差反馈给所述递归自回归滤波过程。优选地，所述运动物体磁场强度观测量与运动物体测量姿态数据的递归自回归滤波为卡尔曼滤波。本专利技术提供的一种人体运动姿态追踪方法包括记录人体运动部位处于第一测量航向角时的地磁场强度，该地磁场强度作为第一磁场强度，所述第一测量航向角的数值与所述运动物体的真实航向角的数值相同；当人体运动部位运动至第二测量航向角时，将所述人体运动部位所在位置对应的地磁场强度的方向回转α角度，所述α的数值为第二测量航向角与第一测量航向角之差， 记录回转α角度后的位置的地磁场强度，该地磁场强度作为第二磁场强度；将所述第一磁场强度与第二磁场强度按照预设规则运算后得到磁场强度观测量；将所述磁场强度观测量与所述人体运动部位的测量姿态数据进行递归自回归滤波得到所述人体运动部位的姿态数据；将所述人体各运动部位的姿态数据传输给姿态数据处理中心，由该处理中心使用所述数据驱动人体模型的相应部位运动，并将人体运动姿态虚拟再现出来。优选地，所述将人体各部位的姿态数据传输给姿态数据处理中心包括无线传输。本专利技术提供的一种运动姿态数据的获取装置包括测量单元、地磁场强度传感单元和递归自回归滤波单元，所述测量单元、地磁场强度传感单元分别与递归自回归滤波单元电连接，其中所述测量单元，用于测量运动物体的姿态数据；所述地磁场强度传感单元，用于记录运动物体处于第一测量航向角时的地磁场强度，该地磁场强度作为第一磁场强度，所述第一测量航向角的数值与所述运动物体的真实航向角的数值相同；当运动物体运动至第二测量航向角时，将所述运动物体所在位置对应的地磁场强度的方向回转α角度，所述α的数值为所述第二测量航向角与第一测量航向角之差，记录回转α角度后的位置的地磁场强度，该地磁场强度作为第二磁场强度；将所述第一磁场强度与第二磁场强度按照预设规则运算后得到磁场强度观测量；所述递归自回归滤波单元，用于将所述磁场强度观测量与所述运动物体的测量姿态数据进行递归自回归滤波得到所述运动物体的姿态数据。优选地，所述第一测量航向角为零度航向角。优选地，所述装置进一步包括动态调整单元，用于将所述磁场强度观测量与运动物体测量姿态数据进行递归自回归滤波时，分别统计分析所述磁场强度观测量和测量姿态数据的数据变化率和超量程时间百分比；将所述数据变化率与超量程时间百分比相乘分别得到第一动态调整系数和第二动态调整系数；将所述第一动态调整系数乘以获取所述磁场强度观测量时产生的观测噪声协方差得到更新后的观测噪声协方差；将所述第二动态调整系数乘以所述测量姿态时产生的激励噪声协方差得到更新后的激励噪声协方差；将所述更新后的观测噪声协方差和激励噪声协方差反馈给所述递归自回归滤波过程。优选地，所述递归自回归滤波单元为卡尔曼滤波器。本专利技术提供的一种人体运动姿态追踪系统包括至少一个人体运动部位姿态数据获取装置、发送模块、接收模块、人体姿态重构模块和人体姿态呈现模块，其中所述人体运动部位姿态数据获取装置，用于收集人体各运动部位的姿态数据后将该数据传输给发送模块；该装置包括测量单元、地磁场强度传感单元和递归自回归滤波单元，所述测量单元、地磁场强度传感单元分别与递归自回归滤波单元电连接，其中所本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种运动姿态数据的获取方法，其特征在于，该方法包括：记录运动物体处于第一测量航向角时的地磁场强度，该地磁场强度作为第一磁场强度，所述第一测量航向角的数值与所述运动物体的真实航向角的数值相同；当所述运动物体运动至第二测量航向角时，将所述运动物体所在位置对应的地磁场强度的方向回转α角度，所述α的数值为第二测量航向角与第一测量航向角之差，记录回转α角度后的位置的地磁场强度，该地磁场强度作为第二磁场强度；将所述第一磁场强度与第二磁场强度按照预设规则运算后得到磁场强度观测量；将所述磁场强度观测量与所述运动物体的测量姿态数据进行递归自回归滤波，得到所述运动物体的姿态数据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵铁军，周尤，
申请(专利权)人：微迈森惯性技术开发北京有限公司，
类型：发明
国别省市：11