[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

说明书

本发明提出一种基于惯性传感器的肢体运动捕捉系统和方法，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。用于实时对人体动作的数据进行测量，跟踪和记录人体在三维空间中的运动信息。该系统包含惯性传感器节点，数据采集节点和上位机显示。本发明提供的基于惯性传感器的运动捕获系统各肢体运动数据采集的方法，能获得三维空间中人体运动的全部姿态信息下，减少连线对肢体运动的影响等诸多优点，有效的解决了当前技术带来的不便。

技术领域

本发明涉及传感器学、运动力学、导航和医疗康复等多学科领域，尤其涉及一种基于惯性传感器的肢体运动捕捉系统和方法。

背景技术

人体动作捕捉是一种能通过虚拟现实场景来把现实生活中人体运动状态实时反映到虚拟模型的技术方法。人体动作捕获技术的兴起和发展己经被广泛运用于影视制作、机器人控制，互动游戏，体育训练，医疗康复等领域。人体动作捕获也被广泛应用到影视题材创造中，比如《霍比特人》里凶悍的咕噜姆。人体动作捕捉技术给荧幕上一个个栩栩如生的角色赋予了鲜活的生命力。在医疗科学领域，该技术广泛用于骨科，康复训练、外科手术等领域，主要通过医生根据病人康复前后的运动姿态信息进行对比，判断康复的情况，帮助医生更好为病人指定合理的训练方案来帮助病人康复。

中国专利《基于CAN总线和惯性传感器的动作捕获系统及方法》(专利申请号：2015105027096)提出了一种基于CAN总线和18个惯性传感器节点采集人体空间姿态系统，wifi无线路由器和中心计算机三部分组成。其中惯性传感器分别佩戴带人体的不同关节部位，用来实时获得人体关节的三轴加速度，三轴角速度和三轴磁力计的九轴数据，然后通过互补滤波算法求解出传感器的三维空间姿态信息，再通过wifi将封装成的数据帧发送给中心计算机。

上述方案主要存在的缺陷有以下几点：

(1)使用CAN总线连接人体不同运动肢体的惯性传感器采集节点会给动作捕获带来不便。因为根据人体力学中人体运动的复杂性，会使得连接CAN总线的肢体运动会受到阻碍。

(2)在系统的数据传输方面一次性发送多个惯性传感器节点的运动数据帧会使得数据在求解姿态信息归一化相对复杂，并且系统的扩展性不是很好。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明基于惯性传感器的运动捕获系统和方法，根据人体力学的指导方法在人体的运动中各关节相互影响最小的前提下提出一种动作捕获系统，采用在局部关节有线连接和对于人体全身无线的连接方式进行数据传递。既保证了数据采集的实时性和传输速率也减少对关节运动的阻碍。

本发明所述的基于惯性传感器的肢体运动捕捉系统，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。

所述基于惯性传感器的肢体运动捕捉方法，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；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；

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：