[发明专利]一种基于惯性传感器的肢体运动捕捉系统和方法

权利要求书

1.一种基于惯性传感器的肢体运动捕捉方法，使用基于惯性传感器的肢体运动捕捉系统，所述肢体运动捕捉系统包括惯性传感器节点，数据采集节点和上位机；所述数据采集节点包含九轴传感器和嵌入式平台数据处理模块；其中，所述九轴传感器都是通过I2C串口与嵌入式平台相连接，通过读取不同惯性传感器节点的寄存器地址得到每个传感器获得的肢体运动数据；所述九轴传感器包括三轴加速度、三轴角速度和三轴磁力计传感器；所述的数据采集节点按照与上位机数据传输协议将数据打包通过蓝牙模块发送给上位机的虚拟人物模型；其特征在于，包括步骤：

A、系统开始工作，初始化九轴传感器，并设置定时器，对人体运动信息的实时采集，通过嵌入式平台实时采集九轴传感器数据再将数据进行低通滤波除去噪声；

B、利用九轴传感器中的三轴角速度传感器输出的角速度信息和定时器发送的采集时间Tt-1和采集时间Tt，对角速度数据进行时间T＝Tt-Tt-1的积分求出当前角度，再通过旋转矢量算法解算得到陀螺仪的估计姿态四元数；

C、利用获得三轴加速度和三轴磁力计传感器的数据，通过高斯牛顿迭代法进行迭代找到最合适的四元数修正系数方法如下：

Ar＝[0 0 g]，mr＝[mn 0 md] (1)

其中g重力加速度，mn，md分别为地磁场坐标系中的北向分量和垂直分量；

Ab＝[ax ay az]，mb＝[mx my mz] (2)

为运动任意时刻假定的加速度和磁力计的输出矩阵；

Ab＝TAr，mb＝ Tmr (3)

其中T为旋转矩阵，将(1),(2)带入可求得修正系数；

D、利用卡尔曼滤波算法将角速度计算的估计值与加速度和磁力计得到修正系数进行计算，解算出三维空间中的姿态信息；

E、将解算出来的姿态信息传递给上位机用来虚拟人物模型的运动。

2.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的肢体运动捕捉方法，其特征在于，对人体运动信息的实时采集是通过对单一肢体进行一组动作捕获，进行校正，然后扩展到全身的信息采集。

3.根据权利要求2所述的基于惯性传感器的肢体运动捕捉方法，其特征在于：

所述的数据采集节点都包含三个三轴加速度，三轴角速度和三轴磁力的九轴传感器和嵌入式平台数据处理模块；每一组都连接在不同的人体主要关节点上。

4.根据权利要求2所述的基于惯性传感器的肢体运动捕捉方法，其特征在于：所述的数据采集节点还包括无线蓝牙模块，电源模块和充电放电稳压模块；所述无线蓝牙模块可以与上位机通过蓝牙适配器进行连接，并将采集到经过处理的数据传递给上位机用来驱动构建的虚拟人物模型。

5.根据权利要求4所述的基于惯性传感器的肢体运动捕捉方法，其特征在于：所述的上位机获得数据采集节点通过蓝牙模块发送的肢体运动数据包，利用获得的数据包对根据人体在三维空间中的人体模型在软件中构建相应的虚拟人物模型的动作进行重构。

6.根据权利要求5所述的基于惯性传感器的肢体运动捕捉方法，其特征在于：所述的数据采集节点有五组包含15个惯性传感器，所述的15个惯性传感器节点分别佩戴在人体的15个主要肢体运动关节部位，该15个部位为：额头，胸椎，腰椎，左上臂，左前臂，左手掌，右上臂，右前臂，右手掌，左大腿，左小腿，左脚踝，右大腿，右小腿，右脚踝。