[发明专利]一种基于惯性测量单元的人体全身运动捕获装置

说明书

本发明公开了一种基于惯性测量单元的人体全身运动捕获装置，它包括N个惯性传感节点和一个汇聚节点，N个惯性传感节点通过RS485总线与汇聚节点相连，其中N大于等于11并小于等于24，每个惯性传感节点包括第一微处理器、惯性测量单元、第一收发模块、第一电源模块；第一电源模块为惯性传感节点提供工作电压，惯性测量单元和第一收发模块均与第一微处理器相连；汇聚节点包括高性能处理模块、第二微处理器、WIFI模块、三个第二收发模块和第二电源模块，第二电源模块为汇聚节点提供工作电压，高性能处理模块和第二收发模块均与第二微处理器相连，WIFI模块与高性能处理模块相连。

技术领域

本发明涉及人体全身运动捕获技术领域，尤其涉及一种基于惯性测量单元的人体全身运动捕获装置。

背景技术

近年来人体运动捕获技术广泛应用于各个领域，尤其在人机交互、虚拟现实和动画制作领域显得尤为重要。另外，人体运动捕获还可以应用在游戏制作、体育训练、生物力学研究、智能监控系统、模型编码等领域，目前已经有许多商品化的运动捕捉设备应用在各个领域。

目前，在国内进行人体动作捕捉系统相关技术研究工作的主要有中科院自动化所吴健康教授的人体运动捕捉研究小组、哈尔滨工程大学王科俊教授的团队。

中科院吴健康教授及其团队研制的人体动作捕捉系统叫MMocap动作捕捉系统，是国内首套面向市场推出的惯性传感器人体运动捕获系统。该系统主要由16个微型传感器节点和一个类似于Xsens Xbus Maste的主控板构成。通过主控板，将各个传感节点的数据通过无线的方式发送到PC端，并经过两级数据融合处理，实时驱动三维人体模型显示。该系统的运动数据取样率为50-200HZ，角度估计精度小于2度，支持蓝牙和WiFi通讯。

哈尔滨工程大学王科俊教授团队也在基于惯性单元的动作捕捉系统方面开展了相关研究工作。他们团队的人体动作捕捉系统采用11个惯性单元节点，其中每个惯性单元节点由三轴加速度计、三轴磁强计、三轴陀螺仪组成，并釆用无线通讯方式数据传输和有线通讯方式数据传输方式进行对比，无线数据传输方式具有动作不受限等优点。但是其在复杂的运动方面表现不是很好，在位置精确跟踪方面还有很多不足。

发明内容

针对现在人体运动捕获技术在精确度、数据延时、数据更新率、传感节点数量配置方面的不足，本发明提供一种人体运动捕获装置，该装置由姿态测量单元IMU、数据汇聚和控制单元组成。其中的姿态测量单元IMU安装在捕捉对象身上的关键部位，如头、四肢、前胸等运动部位，采集这些关键部位的三维加速度、角速度和磁场强度组成的九轴运动姿态数据，为了保持运动姿态的实时性和一致性，多个IMU之间的数据采集必须要同步；而数据汇聚和控制单元通过有线方式与多个IMU相连，汇聚其采集的运动感知数据，经数据校正、噪声滤波、动态补偿等预处理后，打包成帧无线发送到上位机，在PC端通过人体骨架姿态获取中间件再现全身运动姿态。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于惯性测量单元的人体全身运动捕获装置，其特征在于，它包括N个惯性传感节点和一个汇聚节点，N个惯性传感节点通过总线与汇聚节点相连，其中N大于等于11并小于等于24，每个惯性传感节点包括第一微处理器、惯性测量单元、第一收发模块、第一电源模块；第一电源模块为惯性传感节点提供工作电压，惯性测量单元和第一收发模块均与第一微处理器相连；所述汇聚节点包括处理模块、第二微处理器、WIFI模块、三个第二收发模块和第二电源模块，第二电源模块为汇聚节点提供工作电压，处理模块和第二收发模块均与第二微处理器相连，WIFI模块与处理模块相连。

进一步的，所述第一电源模块包括电源芯片U1、电容C7-C8、电感L1、电阻R25、电池，电源芯片U1的电源输入引脚、使能引脚、电阻R25的一端、电容C7的一端均与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与电池输出的电压V_BAT相连，电阻R25的另一端与电源芯片U1的调整输入引脚相连，电容C7的另一端接数字地；电源芯片U1的接地引脚接数字地；电源芯片U1的电源输出引脚输出电压VCC，VCC与电感C8的一端相连，电感C8的另一端接数字地。