專利名稱：運動姿態數據獲取裝置與人體運動姿態追蹤系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及微機械(MEMQ領域，尤其涉及一種運動姿態數據獲取裝置和人體運動姿態追蹤系統。
背景技術：
運動物體的姿態追蹤技術，已廣泛運用于各領域，尤其在航天航海、天線雷達、人體運動姿態建模等領域。近年，隨著MEMS的迅速發展，運動姿態追蹤技術逐漸融合進MEMS 的理念，將運動姿態追蹤所需的測量部件微型化、集成化，形成集微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路等于一體的微型運動姿態追蹤設備。這些設備具有成本低、體積小、重量輕等特點，因而廣受人們青睞。運動物體的姿態追蹤需要首先獲得運動物體的姿態數據。現有技術中，常用微型運動姿態數據獲取設備來收集姿態數據，該設備主要集成有陀螺儀器件，將該設備安裝于目標物體上后，處于工作狀態的陀螺儀傳感器將收集運動物體的姿態數據(橫滾角、俯仰角、航向角)。運動姿態數據獲得后即可利用該數據對該運動物體的虛擬模型進行驅動，從而實時再現運動物體的運動過程，實現追蹤。在進行人體運動姿態追蹤時，多個集成有陀螺儀器件的微型運動姿態數據獲取設備綁定在人體的主要關節部位，通過這些器件收集人體各運動部位的姿態數據，然后利用這些數據驅動人體模型相應部位運動，并用3D畫面直觀地顯示出人體運動過程，從而實現人體運動姿態追蹤。然而，陀螺儀器件測量的運動物體姿態數據具有誤差，必須進行修正后才能真實地反應出運動物體的運動姿態。這種誤差產生的大致過程是陀螺儀器件直接測量的數據為角速度，該角速度值為瞬間量，大多數情況下不能直接使用，而需要對該角速度進行時間積分，得到角度變化量，然后加上初始角度作為最后的角度值才是運動物體的姿態數據，這種積分過程積分時間(dt)越小，得到的角度值越準確，由于陀螺儀測量基準是其自身而非外在的絕對參照物，加之積分時間(dt)不可能無限縮小，積分的累積誤差將隨時間推移迅速增加，進而導致測量的運動姿態數據與實際數據發生偏差。一種解決陀螺儀積分累積誤差的方法是在運動姿態追蹤設備中增加加速度傳感器，用于測量重力方向的加速度數值， 在無外力加速度情況下，可較為準確地輸出運動物體的橫滾角和俯仰角，如果有外力加速作用，通過具有遞歸自回歸濾波功能的卡爾曼濾波器進行數據融合，最后得出運動物體的運動姿態數據。但是，由于加速度測量的重力方向與航向角正交，無法用加速度傳感器消除水平方向的陀螺儀累積誤差，導致運動姿態的航向角數據與實際值不相符合，進而在進行運動物體追蹤時不能準確地追蹤運動物體。
實用新型內容有鑒于此，本實用新型在現有系統中增加地磁場傳感器件，通過將該傳感器件收集到的地磁場數據作為觀測值輸入遞歸自回歸單元中進行數據融合，利用遞歸自回歸單元的遞歸收斂功能消除角速度儀在水平方向的累積誤差，得到最優的姿態數據，進而較好地實現運動物體的追蹤。本實用新型提供的一種運動姿態數據的獲取裝置包括測量單元、地磁場強度傳感單元和遞歸自回歸濾波單元，所述測量單元、地磁場強度傳感單元分別與遞歸自回歸濾波單元電連接，其中所述測量單元，用于測量運動物體的姿態數據；所述地磁場強度傳感單元，用于記錄運動物體處于第一測量航向角時的第一磁場強度，所述第一測量航向角與運動物體的真實航向角相同；所述地磁場強度傳感單元，還用于記錄將運動物體處于第二測量航向角時對應的地磁場強度的方向回轉α角度后所在位置的第二磁場強度，所述α為所述第二測量航向角與第一測量航向角之差；所述地磁場強度傳感單元，還用于將所述第一磁場強度與第二磁場強度按照預設規則運算得到磁場強度觀測量；所述遞歸自回歸濾波單元，用于將所述磁場強度觀測量與所述運動物體的測量姿態數據進行遞歸自回歸濾波得到所述運動物體的姿態數據。優選地，所述第一測量航向角為零度航向角。優選地，所述裝置進一步包括動態調整單元，所述動態調整單元，用于將統計分析所述磁場強度觀測量得到的數據變化率和超量程時間百分比相乘得到第一動態調整系數；將所述第一動態調整系數與獲取磁場強度觀測量時產生的觀測噪聲協方差相乘后的結果反饋給所述遞歸自回歸濾波過程；所述動態調整單元，還用于將統計分析所述測量姿態數據得到的數據變化率和超量程時間百分比相乘得到第二動態調整系數；將所述第二動態調整系數與測量姿態數據時產生的激勵噪聲協方差相乘后的結果反饋給所述遞歸自回歸濾波過程。優選地，所述遞歸自回歸濾波單元為卡爾曼濾波器。本實用新型提供的一種人體運動姿態追蹤系統包括至少一個人體運動部位姿態數據獲取裝置、發送模塊、接收模塊、人體姿態重構模塊和人體姿態呈現模塊，其中所述人體運動部位姿態數據獲取裝置，用于收集人體各運動部位的姿態數據后將該數據傳輸給發送模塊；該裝置包括測量單元、地磁場強度傳感單元和遞歸自回歸濾波單元，所述測量單元、地磁場強度傳感單元分別與遞歸自回歸濾波單元電連接，其中所述測量單元，用于測量人體運動部位的姿態數據；所述地磁場強度傳感單元，用于記錄人體運動部位處于第一航向角時的第一磁場強度，所述第一測量航向角與運動物體的真實航向角相同；所述地磁場強度傳感單元，還用于記錄將人體運動部位處于第二測量航向角時對應的地磁場強度的方向回轉α角度后所在位置的第二磁場強度，所述α為第二測量航向角與第一測量航向角之差；所述地磁場強度傳感單元，還用于將第一磁場強度與第二磁場強度按照預設規則運算得到磁場強度觀測量；所述遞歸自回歸濾波單元，用于將所述磁場強度觀測量與所述人體運動部位的測量姿態數據進行遞歸自回歸濾波得到所述人體運動部位的姿態數據；所述發送模塊，用于將所述人體運動姿態數據獲取裝置獲取的人體各運動部位的姿態數據發送給所述人體姿態重構模塊；所述接收模塊，用于接收所述人體運動部位姿態數據獲取裝置獲取的人體各運動部位的姿態數據；所述人體姿態重構模塊，將接收模塊接收的人體各運動部位的姿態數據用于驅動人體模型相應部位運動；所述人體姿態呈現模塊，用于虛擬再現人體的運動。優選地，該系統進一步包括第一無線通信單元和第二無線通信單元，所述發送模塊通過第一無線通信單元將所述人體各運動部位的姿態數據發送給所述人體姿態重構模塊；所述接收模塊通過第二無線通信單元接收所述人體運動姿態數據獲取裝置獲取的姿態數據。進一步優選地，所述第一無線通信單元集成于所述姿態數據發送模塊內；所述第二無線通信單元集成于所述姿態數據接收模塊內。本實用新型在現有技術基礎上引入磁場強度，將磁場強度數據作為觀測值與運動物體姿態的先驗估計值進行遞歸自回歸濾波，利用遞歸自回歸濾波過程的遞歸收斂功能消除陀螺儀水平方向的累積誤差，由此得到較為準確的航向角數據，從而實現運動物體姿態追蹤。
圖1為本實用新型進行運動姿態數據收集采用的坐標系統示意圖；圖2為本實用新型的裝置工作流程圖；圖3為本實用新型的裝置工作流程中卡爾曼濾波過程示意圖；圖4為本實用新型的裝置的動態調整單元的工作過程示意圖；圖5為本實用新型的裝置實施例的組成框圖；圖6為本實用新型的裝置實施例的動態調整單元的組成框圖；圖7為本實用新型的系統實施例的組成框圖。
具體實施方式
本實用新型的主要思想是在現有技術基礎上收集地磁場強度數據作為觀測值與運動物體測量姿態數據進行遞歸自回歸濾波，利用遞歸自回歸濾波過程的遞歸收斂功能消除陀螺儀水平方向的累積誤差，由此得到較為準確的航向角數據，從而實現運動物體姿態追蹤。磁場強度數據與運動物體測量姿態數據的遞歸自回歸濾波有多種實現方式，本實用新型優選使用具有遞歸自回歸濾波功能的卡爾曼濾波方法進行該處理過程。為便于詳細闡釋本實用新型的技術方案，先對卡爾曼濾波的工作原理進行簡要介紹。卡爾曼濾波是一種遞歸自回歸數據處理算法，它通過反饋控制的方法估計過程狀態，對每次輸出的狀態結果進行循環修正，直至得到最優的過程狀態數據。卡爾曼濾波可分成兩個循環過程時間更新過程和測量更新過程，前者負責及時向前推算當前狀態變量和誤差協方差的估計值以構造下一個時間狀態的先驗估計；后者將先驗估計和測量變量結合以構造改進的后驗估計；時間更新過程可視為預估過程，測量更新過程可視為校正過程，整個估計算法實質是一種具有數值解的預估-校正算法。卡爾曼濾波過程可用如下的五個公式表達。公式1 由前一時刻系統狀態估計現在時刻系統狀態X (k |k-l) = AX(k-l |k-l)+BU(k)式中，X(k|k-1)是利用系統(k-Ι)時刻的系統狀態估計的k時刻的系統狀態，稱為先驗估計，X(k-1 Ik-I)是(k-Ι)時刻系統的最優狀態值，U(k)是k時刻的系統控制輸入量，A、B是系統參數，分別表示系統狀態轉移矩陣和外部激勵輸入矩陣。公式2 由前一時刻系統誤差協方差估計現在時刻的系統誤差協方差P (k I k-1) = AP (k-11 k-1) AT+Q式中，P (k I k-1)是利用系統(k-1)時刻的誤差協方差估計的k時刻的系統誤差協
方差，Q是激勵噪聲協方差。根據公式1得到的系統k時刻的先驗估計值X(k|k-1)，再結合k時刻的測量值 Z(k)即可推算出k時刻的系統狀態最優值X (k I k)，推算公式為公式3 由先驗估計值和測量值推算系統狀態最優值X (k I k) = X (k I k-1) +K (k) [Ζ (k) -HX (k | k-1)]其中H為矩陣，是系統測量參數，表示狀態變量增益，H矩陣把觀測變量和狀態變量關聯起來；K(k)為卡爾曼增益，由公式4得到K (k) =P (k I k-1) Ht [HP (k I k-1) HT+R]式中的R為觀測噪聲協方差。公式5 由構造先驗估計產生的估計協方差與卡爾曼增益推算將用于k+Ι時刻的誤差協方差P (k I k) = [I-K (k) H] P (k I k-1)式中，I為矩陣，對于單模型單測量，1 = 1。為使本領域技術人員能進一步了解本實用新型的特征及技術內容，
以下結合附圖和實施例，對本實用新型的技術方案進行詳細描述。實施例一實現運動物體追蹤需要知道運動物體姿態的參數描述(即運動物體在參考空間中的方位)。運動物體姿態通常通過與運動物體相固接的運動參考坐標系OXJJc與定參考坐標系OXYZ之間的夾角表示。兩坐標系的原點均取在運動物體質心，定參考坐標系X軸水平指向東，Y軸水平指向北，Z軸垂直地面指向天頂；與運動物體相固接的運動參考坐標系的\垂直運動物體運動方向指向右，Yc軸沿著運動物體運動方向指向前方，Zc沿運動物體縱軸指向上方。定參考坐標系與運動參考坐標系的關系如圖1所示。假設運動物體坐標系初始時與定參考坐標系原點重合，根據上述定義，運動物體的任意姿態均可通過下述三次轉動得到(1)繞Y軸旋轉俯仰角θ ； (2)繞X軸旋轉橫滾角ψ ； (3)繞Z軸旋轉航向角Φ。 由此，要實現運動物體姿態追蹤只需獲得上述三個數據即可。三軸陀螺儀可用于測量這些數據，但是如前所述陀螺儀存在誤差問題，測出的運動物體姿態數據(θ、Ψ、φ)會在短時間內偏離真實數值。在此基礎上加入三軸加速度計可一定程度上消除陀螺儀測得的俯仰角 θ和橫滾角Ψ兩個方面的累積誤差。上述使用三軸陀螺儀收集數據定位運動物體姿態的方法稱為“三自由度定位法”，使用三軸陀螺儀和三軸加速度計收集數據定位運動物體姿態的方法稱為“六自由度定位法”。采用“六自由度定位法”盡管可以消除陀螺儀自身旋轉帶來的部分誤差，但消除不了水平方向的累積誤差，即航向角Φ會在運動物體姿態數據測量過程中逐漸偏離真實值。本實施例在此基礎上引入磁場儀，用于測量地磁場強度，并將該磁場強度數據作為觀測值輸入遞歸自回歸濾波器中修正運動物體的測量姿態數據，進而減少和消除陀螺儀的累積誤差，得到較為準確的姿態數據，實現運動物體的追蹤。參見附圖2，本實施例給出的運動物體姿態數據獲取裝置的工作過程包括步驟101 記錄運動物體處于第一測量航向角時的地磁場強度，該地磁場強度作為第一磁場強度，所述第一測量航向角的數值與所述運動物體的真實航向角的數值相同；這里的第一測量航向角為基準航向角，在此位置角速度儀積分得出的測量姿態數據中的航向角Φ與真實的航向角數值不發生偏差；該基準航向角通常選用零度航向角，實際上也可以是其他可以預先校準的航向角，只要保證角速度傳感儀測量的航向角和實際航向角數值一致即可。步驟102 當所述運動物體運動至第二測量航向角時，將所述運動物體所在位置對應的地磁場的方向回轉α角度，所述α的數值為第二測量航向角與第一測量航向角之差，記錄回轉α角度后的位置的地磁場強度，該地磁場強度作為第二磁場強度；第二測量航向角是角速度傳感儀測得的航向角，該航向角由于角速度傳感儀工作時的積分過程使得該測量航向角的數值與該位置的真實航向角的數值發生偏差；磁場傳感儀可以客觀地記錄運動物體所在位置的磁場數據，包括該位置磁場強度大小和磁場強度的方向，得到該位置所在地磁場強度的方向后將該方向回轉一定角度，這個角度是上述兩個測量航向角數值之差，由于第二測量航向角和實際的航向角有偏差，旋轉回去后必定與第一測量航向角有偏離，該偏離程度即可反應角速度傳感儀積分導致的累積誤差。步驟103 將所述第一磁場強度與第二磁場強度作差，得到磁場強度觀測量；上述兩個磁場強度求差結果可以衡量角速度傳感儀水平方向累積誤差，實際上， 除作差方式外，也可以采用其他運算規則進行兩個磁場強度數據的處理，比如求平方差、均方差等均可實現衡量誤差的目的。步驟104 將所述磁場強度觀測量與所述運動物體的測量姿態數據進行遞歸自回歸濾波得到所述運動物體的姿態數據；所述運動物體的測量姿態數據是角速度傳感儀積分得到的運動物體的姿態數據， 該數據在進行本實施例所述步驟之前已經由加速度傳感儀消除了橫滾角和俯仰角的誤差。本實用新型在現有技術基礎上引入磁場強度，以第一測量航向角時的磁場強度為基準，將處于第二測量航向角的運動物體所在位置對應的地磁場強度的方向旋轉回一定角度后記錄該位置的地磁場強度，然后將上述兩個磁場強度求差值得到磁場強度觀測量，進而使用該磁場強度觀測量輸入遞歸自回歸濾波單元進行數據融合，融合過程修正了角速度傳感儀積分得到的運動物體姿態數據，消除了水平方向的累積誤差。實施例二上述實施例步驟104中提到遞歸自回歸濾波的數據融合過程，實際上，運動物體姿態數據與磁場強度數據之間進行遞歸自回歸濾波的具體實現方式有多種，本實用新型優選采用卡爾曼濾波算法實現該過程。參見附圖3，卡爾曼濾波方法的數據融合過程為運動物體Μ，在k-Ι時刻的姿態參數用四元數表示，四元數是利用一種超復數來等效反應向量轉動。任何一個向量均可表示為一個實部與復數復合的四元數，比如^ = W + + + (其中w為常量)，該式子中的參量滿足如下關系q = [w χ y ζ]τ[q]2 = w2+x2+y2+z2 = 1運動物體姿態的四元數構造基礎數據來自于三軸角速度傳感儀的測量數據。將測量得到的運動物體姿態的三個參數(θ、Ψ、φ)任意一個代入如下公式中即可構造一個四元數w = cos (α /2)χ = sin (α/2) cos(3x)y = sin (α/2) cos(3y)ζ = sin (α/2) cos (β z)其中α是運動物體繞坐標軸旋轉的角度，cos ( β x)、cos ( β y) cos ( β z)為上述姿態參數在各個軸向的分量。運動物體M在k-Ι時刻的狀態用四元數進行刻化(Ci1k^1， Q2k-Hk-I' Q3k-Hk-!. qVi|k-i) ^三軸陀螺儀進行運動姿態數據測量時因各種原因存在誤差引起測量值偏置，三軸陀螺儀三個測量方向的偏置估計為(qb^k-Uk+qb^k-Uk+q—U。由運動物體三維姿態數據和對該數據的偏置估計共同構成狀態變量，即本實施例中狀態向量 x(k-i|k-i)為七維向量，該狀態變量在首次進行卡爾曼濾波時的初始數值可任意選取，因為卡爾曼濾波過程具有遞歸收斂功能，任意選取的初始狀態對卡爾曼濾波的輸出結果并不產生有意義的影響。由此，根據卡爾曼濾波的公式1，可以估計出運動物體M在k時刻的狀態X (k I k-1) = X(k|k-l) =AX(k-l|k_l)+BU(k)，即先驗估計。構造先驗估計的過程本身不可能絕對準確，這種不確定性大小一方面由于陀螺儀自身的旋轉導致的數值偏離和漂移引起，一方面由先驗估計中引入的激勵噪聲引起。這些偏差使用誤差協方差表示，因此，接下來需要估計系統誤差協方差以用于計算卡爾曼增益，進而用于更新狀態變量。根據卡爾曼濾波的公式 2，推算出k時刻的系統誤差協方差P (k I k-1) =P(k|k-l) = AP(k-l|k-l)AT+Q。該誤差協方差值在首次進行卡爾曼濾波器時可以任意選取，因為卡爾曼濾波遞歸收斂功能，任意選取的初始狀態對卡爾曼濾波器的輸出結果并不產生有意義的影響。得到k時刻的誤差協方差后，結合磁傳感器數值時的觀測噪聲誤差協方差，根據卡爾曼濾波的公式4可計算出卡爾曼增益K(k) zPGilk-DinHPGilk-Dtf+Rr1。獲取k時刻的卡爾曼增益K(k)后，將磁傳感器獲取的磁場向量的觀測值z(k)代入卡爾曼濾波公式3中即可更新狀態變量X(k|k) = x(k|k) =X(k|k-l)+K(k)[Z(k)-HX(k|k-l)]。到此，已完成卡爾曼濾波的一次循環，得到了進過修正的運動物體姿態數據。但是為了進行下一個循環，還需要更新系統的誤差協方差，即根據卡爾曼濾波的公式5推算用于k+Ι時刻的誤差協方差P (k |k) = [I-K(k)H] ρ (k I k-i)。上面的過程不斷循環，通過磁場傳感儀獲得的磁場強度數據不斷地對角速度傳感儀積分輸出的運動姿態數據進行反饋修正，由角速度傳感儀積分產生的水平方向累積誤差被消除，運動物體姿態的航向角數與真實值接近。實施例三上述實施例中，狀態變量中的運動物體姿態參數描述使用的是四元數表示法。實際上對于運動物體姿態參數可直接使用歐拉角表示，甚至其他表示方法，不同的表示方法僅僅是形式上不同，通過數學規則這些表示方法均是可以相互轉換的。下面給出四元數與歐拉角之間的轉換公式。四元數到歐拉角的轉換公式上式中arctan禾口 arcsin的結果是
arctan。即用下面的公式實現轉換
對于其他角度需要用atan2來代替歐拉角到四元數的轉換公式因此本實用新型并不限制運動物體姿態描述的具體數學形式，只要不妨礙本實用新型實現解決現有技術問題的目的即可。實施例四本實用新型引入磁場傳感儀可以如上述描述的方法解決陀螺儀累積誤差的問題， 但是磁場傳感儀具有一定的不穩定性，受外界磁場變化的影響較大。比如當外部磁場突然發生較大變化時，磁場傳感儀獲得的原始數據出現很大的變化，濾波器由于不知道這是外部磁場變化導致的結果，會按照正常的情況下更新狀態方程，導致經過遞歸自回歸后的運動物體姿態數據出現誤差。還比如，磁傳感器如果發生超量程時也可能導致獲取的運動物體姿態數據出現誤差。為使遞歸自回歸濾波具有較強的自適應特性，本實用新型的實施例進一步采取動態調整措施，消除上述可能出現的誤差。本實施例的遞歸自回歸濾波仍然采用卡爾曼濾波。參加附圖4所示。本實施例的動態調整過程通過更新卡爾曼濾波器的觀測噪聲協方差矩陣R與激勵噪聲協方差矩陣Q進而調節置信區間度范圍的方式實現。動態調整的具體過程如下激勵噪聲協方差矩陣Q與觀測噪聲協方差矩陣R需在每次循環時分別乘以各自的動態調整參數，動態調整參數與傳感儀的數據變化率和超過量程時間的百分比率的乘積成反比關系。下面用數學式表示該過程設角速度傳感儀測量的姿態數據的數據變化率為 α 和超量程時間百分比為β 1，磁場傳感儀觀測的磁場強度數據的數據變化率為α 2，超量程時間百分比為β 2，則Dl = 1/α 1 β 1D2 = 1/α 2 β 2Qk = DIQhRk = D2RH式中，α 1、α 2通過對所述數據求導得到；β 1、β 2為預設時間間隔內傳感儀測量數據達到或者超過量程的時間比率，通過統計預設時間間隔內測量數據達到或超過量程的時間占該預設間隔總時間的百分比率得到。將上述經過動態調整的激勵噪聲協方差矩陣Q與觀測噪聲協方差矩陣R代入卡爾曼濾波器，經過卡爾曼濾波器的遞歸收斂功能即可克服上述技術問題。實際上，本實施例中傳感儀測量數據時遇到的技術問題在運動姿態測量系統中加速度傳感儀中同樣存在(1)當目標物體運動狀態由緩慢變化跳躍為快速變化或者相反時，濾波器狀態適應性變化滯后，這樣運動狀態系統的直接測量結果誤差增大；( 當目標物體運動姿態處于較大變化范圍時，極有可能接近甚至超出傳感單元的最大量程范圍，這樣傳感單元測量的原始數據將會偏離真實運動狀況，導致測量中斷或者測量結果失效。這些技術問題同樣可以采取本實施例的方法進行解決以傳感單元的數據變化率和達到或超過滿量程的時間比率為參數對相應傳感儀的置信區間[_D，+D]進行反饋控制傳感單元數據的變化率越大，置信空間越小，置信度越低；達到或超量程的時間越多，置信空間越小，置信度越低。實施例五附圖5是本實用新型裝置500的實施例的組成框圖。在本實施例中，運動姿態數據獲取裝置包括測量單元501，該單元包括三軸角速度傳感單元5011、三軸加速度傳感單元5012，三軸地磁場強度傳感單元502以及遞歸自回歸濾波單元503組成，測量單元501、 三軸地磁場強度傳感單元502分別與遞歸自回歸濾波單元503電連接，測量單元501用于測量運動物體的姿態數據，并將這些數據傳送給遞歸自回歸濾波單元503，三軸地磁場強度傳感單元502用于獲取磁場強度數據，并將該數據傳送給遞歸自回歸濾波單元503。本實施例給出的裝置500的工作過程如下預選建立運動物體姿態測量的工作坐標系，這樣的坐標系如實施例一所述，此處不在贅言。然后對運動物體姿態數據的進行收集和轉換在上述坐標系中三軸角速度傳感單元5011收集運動物體XYZ三個軸向的數據，三軸加速度傳感單元5012收集運動物體重力方向上加速度數據，這六個數據用四元數法轉換后作為運動物體姿態的參數描述(航向角、俯仰角、滾轉角)；三軸地磁場強度傳感單元 502設定第一測量航向角時的磁場向量作為參考向量，以此為基準收集磁場強度數據。將處于第二測量航向角位置的運動物體對應的地磁場方向旋轉兩個航向角差值大小的角度， 并記錄該旋轉后的位置的磁場強度數據，這兩個磁場強度之差反應了角速度傳感單元5011 的可能偏差。接下來將這些數據輸入到遞歸自回歸濾波單元503中，進行數據融合處理， 由于遞歸自回歸濾波單元503具有遞歸收斂功能，輸入該單元的數據被逐步優化，最后輸出最優的運動物體姿態數據。本實施例在現有技術基礎上引入三軸磁場強度傳感單元，將第一測量航向角時運動物體所在位置對應的磁場強度作為基準，將第二測量航向角時運動物體所在位置對應的地磁場的方向旋轉兩個航向角之差的角度大小，記錄回轉后的位置的磁場強度，將該磁場強度相對于基準磁場強度的大小作為磁場強度觀測值，并將該磁場強度觀測值輸入遞歸自回歸單元進行數據融合，從而消除了角速度傳感單元的累積誤差，遞歸自回歸單元輸出的數據也較為真實地反應了運動物體的姿態，進而可以實現運動物體的準確追蹤。本實施例中的角速度傳感單元包括陀螺儀傳感器，加速度傳感單元包括加速度計，磁場強度傳感單元包括磁場計。上述實施例中的遞歸自回歸單元可以是一切具有同樣濾波功能的電子元件，本實用新型優選卡爾曼濾波器實現該過程。卡爾曼濾波過程如上述實施例4所示，這里不在重復敘述。實施例六如前所述，角速度傳感單元和磁場強度傳感單元具有一定的不穩定性，受外界磁場變化的影響較大。為使遞歸自回歸單元具有較強的自適應特性，本實用新型的實施例進一步采取動態調整措施。上述實施例中，還可以包括動態調整單元604，用于動態調整卡爾曼濾波過程中的觀測噪聲協方差矩陣與激勵噪聲協方差矩陣，將調整后的協方差矩陣輸入遞歸自回歸濾波單元603。參見附圖6所示，本實施例的動態調整單元604包括數據統計分析單元6041、動態系數計算單元6042和協方差變換單元6043，其中數據統計分析單元6041用于分別統計分析所述磁場強度觀測量和測量姿態數據得到數據變化率和超過量程時間百分比；動態系數計算單元6042用于將所述數據變化率與超量程時間百分比相乘分別得到第一動態調整系數和第二動態調整系數；協方差變換單元6043用于將所述第一動態調整系數乘以獲取所述磁場強度觀測量時產生的觀測噪聲協方差得到更新后的觀測噪聲協方差；將所述第二動態調整系數乘以所述測量姿態數據時產生的激勵噪聲協方差得到更新后的激勵噪聲協方差；將所述更新后的觀測噪聲協方差和激勵噪聲協方差反饋給所述遞歸自回歸過程。將上述經過動態調整的激勵噪聲協方差矩陣Q與觀測噪聲協方差矩陣R代入卡爾曼濾波器，經過數據融合單元的遞歸收斂功能克服了角速度傳感單元和磁場傳感單元的不穩定性。實際上，本實施例中角速度傳感單元和磁場傳感單元測量數據時遇到的技術問題在運動姿態測量系統中加速度傳感單元中同樣存在，解決的方式與上述過程類似，這里不
再重復。實施例七附圖7是本實用新型提供的人體運動姿態追蹤系統實施例的組成框圖。本實施例的系統700包括至少一個人體運動部位姿態數據獲取裝置701、發送模塊702、接收模塊703 和人體姿態重構模塊704和人體姿態呈現模塊705 ；其中，人體運動部位姿態數據獲取裝置 701如實施例三所述，用于實現人體運動部位姿態數據的獲取；發送模塊702與人體運動部位姿態數據獲取裝置701電連接，用于將人體運動姿態數據獲取裝置701獲取的姿態數據通過接收模塊703發送給人體姿態重構模塊704 ；接收模塊703與人體姿態重構模塊704 電連接，用于接收人體運動姿態數據獲取裝置701通過發送模塊702發送的姿態數據；人體姿態重構模塊704，將接收的人體各運動部位的姿態數據用于驅動人體模型相應部位運動； 人體姿態呈現模塊705，用于虛擬再現人體的運動。本系統的工作步驟如下步驟S701 人體運動部位姿態數據獲取裝置701根據權利要求1所述的方法獲取人體各運動部位的姿態數據；該裝置701至少包括一個，預先固著在人體的各個運動部位上，具體固著的部位根據實際需要選擇，可以是人體主要關節點，這些關節點最能反映出人體的運動姿態；步驟S702 將步驟S701獲得的人體各運動部位的運動姿態數據通過發送模塊702 傳輸給人體姿態重構模塊704 ；步驟S703 人體姿態重構模塊704通過接收單元703接收到所述人體各部位運動姿態數據后，驅動人體模型中的各相應部位運動；步驟S704 人體運動呈現模塊705將人體姿態虛擬再現出來。本實施例中姿態數據在人體運動姿態數據獲取裝置701與人體姿態重構模塊之間傳輸除可以是有線方式外，本實用新型優選無線方式傳輸。無線傳輸時本實施例的系統進一步包括第一無線通信單元706和第二無線通信單元707，由此兩個單元來實現數據的無線傳輸。第一無線通信單元706可以作為單獨的模塊與姿態數據發送單元702電連接， 也可以集成在姿態數據發送模塊702內。同樣地，本實施例中的第二無線通信單元707可以作為單獨的模塊與姿態數據接收模塊703電連接，也可以集成在姿態數據接收模塊703 內，本實用新型提供的實施例對這兩個模塊的連接方式不作限定。至于具體的無線連接的實現方式可以采用藍牙、WIFI或者下一代通信網絡LTE等，所使用的傳輸協議可以是基于 IEEE802. 15.4的上層星型協議，也可以是其他實現無線連接方式的傳輸協議，均不妨礙本實施例實用新型目的的實現。本實施例給出了人體運動姿態追蹤的完整系統，該系統采用了實施例三所述的裝置，解決了陀螺儀累積誤差的問題。同時，本實施例通過發送模塊702與接收模塊703之間的無線連接，實現了運動姿態全方位無限制測量，擴大了運動姿態追蹤系統的使用范圍。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種運動姿態數據的獲取裝置，其特征在于，該裝置包括測量單元、地磁場強度傳感單元和遞歸自回歸濾波單元，所述測量單元、地磁場強度傳感單元分別與遞歸自回歸濾波單元電連接，其中所述測量單元，用于測量運動物體的姿態數據；所述地磁場強度傳感單元，用于記錄運動物體處于第一測量航向角時的第一磁場強度，所述第一測量航向角與運動物體的真實航向角相同；所述地磁場強度傳感單元，還用于記錄將運動物體處于第二測量航向角時對應的地磁場強度的方向回轉α角度后所在位置的第二磁場強度，所述α為所述第二測量航向角與第一測量航向角之差；所述地磁場強度傳感單元，還用于將所述第一磁場強度與第二磁場強度按照預設規則運算得到磁場強度觀測量；所述遞歸自回歸濾波單元，用于將所述磁場強度觀測量與所述運動物體的測量姿態數據進行遞歸自回歸濾波得到所述運動物體的姿態數據。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一測量航向角為零度航向角。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括動態調整單元，所述動態調整單元，用于將統計所述磁場強度觀測量得到的數據變化率和超量程時間百分比相乘得到第一動態調整系數；將所述第一動態調整系數與獲取磁場強度觀測量時產生的觀測噪聲協方差相乘后的結果反饋給所述遞歸自回歸濾波過程；所述動態調整單元，還用于將統計所述測量姿態數據得到的數據變化率和超量程時間百分比相乘得到第二動態調整系數；將所述第二動態調整系數與測量姿態數據時產生的激勵噪聲協方差相乘后的結果反饋給所述遞歸自回歸濾波過程。
4.根據權利要求1至3中任何一項所述的裝置，其特征在于，所述遞歸自回歸濾波單元為卡爾曼濾波器。
5.一種人體運動姿態追蹤系統，其特征在于，該系統包括至少一個人體運動部位姿態數據獲取裝置、發送模塊、接收模塊、人體姿態重構模塊和人體姿態呈現模塊，其中所述人體運動部位姿態數據獲取裝置，用于收集人體運動部位的姿態數據后將該數據傳輸給發送模塊；該裝置包括測量單元、地磁場強度傳感單元和遞歸自回歸濾波單元，所述測量單元、地磁場強度傳感單元分別與遞歸自回歸濾波單元電連接，其中 所述測量單元，用于測量人體運動部位的姿態數據；所述地磁場強度傳感單元，用于記錄人體運動部位處于第一航向角時的第一磁場強度，所述第一測量航向角與運動物體的真實航向角相同；所述地磁場強度傳感單元，還用于記錄將人體運動部位處于第二測量航向角時對應的地磁場強度的方向回轉α角度后所在位置的第二磁場強度，所述α為第二測量航向角與第一測量航向角之差；所述地磁場強度傳感單元，還用于將第一磁場強度與第二磁場強度按照預設規則運算得到磁場強度觀測量；所述遞歸自回歸濾波單元，用于將所述磁場強度觀測量與所述人體運動部位的測量姿態數據進行遞歸自回歸濾波得到所述人體運動部位的姿態數據；所述發送模塊，用于將所述人體運動部位姿態數據獲取裝置獲取的人體各運動部位的姿態數據發送給所述人體姿態重構模塊；所述接收模塊，用于接收所述人體運動部位姿態數據獲取裝置的人體各運動部位的姿態數據；所述人體姿態重構模塊，將接收模塊接收的人體各運動部位的姿態數據用于驅動人體模型相應部位運動；所述人體姿態呈現模塊，用于虛擬再現人體的運動。
6.根據權利要求5所述的系統，其特征在于，該系統進一步包括第一無線通信單元和第二無線通信單元，所述發送模塊通過第一無線通信單元將所述人體各運動部位的姿態數據發送給所述人體姿態重構模塊；所述接收模塊通過第二無線通信單元接收所述人體運動姿態數據獲取裝置獲取的姿態數據。
7.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述第一無線通信單元集成于所述發送模塊內；所述第二無線通信單元集成于所述接收模塊內。
專利摘要本實用新型提供的運動姿態數據的獲取裝置包括與遞歸自回歸濾波單元電連接的測量單元和地磁場強度傳感單元，所述測量單元用于測量運動物體的姿態數據，所述地磁場強度傳感單元用于測量磁場強度觀測量；將所述磁場強度觀測量與所述運動物體的測量姿態數據進行遞歸自回歸濾波得到所述運動物體的姿態數據。本實用新型還提供了一種人體運動姿態追蹤系統。本實用新型引入地磁場強度傳感單元測量磁場強度，利用磁場強度對測量單元測得的姿態數據進行修正，解決了角速度測量時產生的累積誤差問題。
文檔編號G01C21/16GK202177381SQ20112014177
公開日2012年3月28日 申請日期2011年5月6日 優先權日2011年5月6日
發明者周尤, 趙鐵軍 申請人:微邁森慣性技術開發(北京)有限公司