[发明专利]一种应用于虚拟现实系统中的运动人体质心位移计算方法

摘要

本发明请求保护一种应用于虚拟现实系统中的运动人体质心位移计算方法，包括以下步骤：采用动作捕捉感应器分别感应用户身体上多个部位的动作，并对所述动作进行质心判断，若判断是质心部位的动作时，则进行人体质心位移的计算步骤；通过采用EMS陀螺仪和加速度计在内的惯性器件，获得人体支撑腿运动情况，判断是否是支撑腿，并在支撑腿确定的情况下，求取人体质心的运动情况，根据固定在人体身上的惯性设备，求取人体运动时的关节角，并根据人体XOY矢量运动图以及人体运动学模型、几何运动学，求取质心的位置，实现跑步时期人体质心位置的解算。本发明可以提高虚拟现实系统的人体运动的测量准确性。

主权项

1.一种应用于虚拟现实系统中的运动人体质心位移计算方法，所述虚拟现实系统包括：可穿戴虚拟现实设备，设备包括头戴式设备、动作捕捉设备以及一体化背包，头戴式设备包括头戴式显示器，用于显示虚拟场景，动作捕捉设备包括多个适于布置在用户身体上多个部位动作捕捉感应器及质心位移计算模块，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤：采用动作捕捉感应器分别感应用户身体上多个部位的动作，并对所述动作进行质心判断，若判断是质心部位的动作时，则进行人体质心位移的计算步骤；通过采用EMS陀螺仪和加速度计在内的惯性器件，获得人体支撑腿运动情况，具体包括：根据加速度计测得的数据，判断被测对象处于支撑期还是摆动期；若被测对象处于支撑期时，判断是否是支撑腿，并在支撑腿确定的情况下，求取人体质心的运动情况，包括：首先求取加速度计数据的欧几里得范数和，接着获取单次测定的欧几里得范数和、重力加速度相对误差的算术平方根，并经滤波处理后，最后进行绝对值运算，获得两腿运动的值，将两腿值相乘，判断行人跑步时所处的时期；根据固定在人体身上的惯性设备，求取人体运动时的关节角，并根据人体XOY矢量运动图以及人体运动学模型、几何运动学，求取质心的位置，实现跑步时期人体质心位置的解算；具体包括以下公式：先采集固定于人腿部的三轴加速度计的输出值，并求出其欧几里得范数Acc，如公式(1)所示。在公式(1)中，accx、accy、accz分别为加速度计x轴、y轴、z轴的输出；在公式(2)中，g代表重力加速度，一般取为g≈9.8m/s2β＝0.5*(1+α‑|1‑α|)     (3)ζ＝βleft·βright    (4)在公式(4)中，βleft代表左腿的值，βright代表右腿的值；根据公式(5)便可以判别跑步时期的状态，以及支撑期的支撑腿，具体如下：根据公式(5)可判别飞跃期、支撑期、以及支撑期的支撑腿；飞跃期双脚离开地面，仅受重力作用，借助牛顿运动力学，求取质心的位置。步骤二：人体运动关节角解算设roll(横滚角)，pitch(俯仰角)，yaw(航向角)分别关节与坐标轴x轴，y轴，z轴的夹角，即yaw为分别为绕着x，y，z轴旋转所得角度。在初始时刻利用加速度值得到俯仰角和横滚角分别为分别表示载体坐标系下x，y，z轴的加速度值。设置初始航向角yaw＝0°。由初始时刻的roll，pitch，yaw信息可以得出初始四元数为Q(t0)＝[q0(t0),q1(t0),q2(t0),q3(t0)]T，公式(8)为四元数的微分方程。其中Q(ti)＝[q0(ti),q1(ti),q2(ti),q3(ti)]T为采样点i时刻的四元数，采用一阶毕卡法求解四元数微分方程，得到其中Δt为两相邻采样时刻的时间间隔。ωx，ωy，ωz为分别为载体坐标系相对于惯性坐标系的角速度信息，考虑惯性器件的精度，故对其中地球自转角速度和导航系下载体运动引起的角速度均可忽略不计，ωx，ωy，ωz即为陀螺仪所测量的三轴角速度。四元数更新后，为了便于对角度的直观理解，将四元数转换为欧拉角，其对应的关系为：步骤三：支撑期人体质心的计算当人处于站立阶段时，先测量人体的大腿，小腿以及脚的长度，且分别用Ltight、Lshin、Lfoot表示。为了方便描述支撑期间根节点的位移，以xoy平面图来分析处于支撑期间的唯一估计。又由下图(4)可知，在xoy平面，根节点的x轴坐标y轴坐标分别可由公式(11)、(12)表示。同理，可求得xoz平面，根节点z轴坐标。在Δt时间内，髋关节，膝关节，踝关节的位移改变量为在公式(13)中Lk代表k关节的骨骼长度，该长度可直接测量；θi,t表示在t时刻，质心在xoy平面旋转的角度的大小同理，在Δt时间内，根关节点的位移改变量为步骤四：飞跃期的位移估计算法在跑步时所经历的飞跃期不同于支撑期，在该期间人体运动仅受重力的影响，故人处于飞跃期可以近似为一个质量为m的小球，在重力场的影响下，做上抛运动。根据牛顿运动力学，在t+Δt时间，根节点可由公式(15)表示。在公式(15)中，k可取x、y、z三个值中任意一个，分别代表x轴、y轴、z轴，υk表示该轴的速度，可由陀螺仪的积分可得。