微型惯性传感器人体运动捕获技术

基于可穿戴式惯性传感器的人体运动跟踪方法综述 张豪, 何百岳, 杨旭升, 张文安

早在第二次世界大战之后, 斯坦福大学就提出了人体运动捕捉这一概念, 当时主要用在医疗康复领域, 用于对伤残、截肢病人的运动分析和治疗.近年来, 人体运动跟踪技术的发展促使该技术广泛应用于医疗、体育、人机交互、虚拟现实和影视制作等领域.

常见的人体运动跟踪系统主要有机械式的、光学式的、声学式的和电磁式的, 这些人体运动跟踪技术已渐渐不能满足目前人体运动跟踪系统的要求, 其中机械式的人体运动跟踪系统容易使人体运动受限, 基于光学的人体运动跟踪系统较为昂贵、对光照环境要求高、易受遮挡, 基于声学的人体运动跟踪系统实时性比较差、易受干扰, 基于电磁的人体运动跟踪系统易受磁场干扰, 场地周围的金属物品会造成磁场畸变, 严重影响精度.人体运动跟踪技术中最大的挑战是使用非介入式的传感器和在不受限的环境中准确估计人体的运动姿态.随着微机电系统(Micro-electro-mechanical system, MEMS)技术的发展, 基于可穿戴式惯性传感器的人体运动跟踪技术逐渐受到人们的关注, 惯性式人体运动跟踪系统具有佩戴方便、运动空间不受限和成本低等优点.(基于可穿戴式惯性传感器的人体运动跟踪方法综述 张豪, 何百岳, 杨旭升, 张文安 )

为了便于研究人体的运动, 大部分关于人体运动跟踪的文章将人体简化为多刚体系统.人体运动姿态在三维空间上存在6个自由度, 包括各个肢体部位的位置和方向.在基于惯性传感器的人体运动跟踪中, 通常会定义三种坐标系:传感器坐标系, 肢体坐标系和参考坐标系.人体运动跟踪的目标是获得肢体坐标系相对于参考坐标系的位姿.姿态描述的方法有很多, 其中包括欧拉角、四元数等.欧拉角能够形象地描述人体关节运动, 因此被广泛用于人体姿态估计中.欧拉角是用来确定定点转动刚体位置的一组独立的角参量, 欧拉角使用偏航角, 俯仰角和翻滚角来描述刚体绕各坐标轴的旋转角度.特别地, 在人体姿态估计中, 人体可以分为矢状面、冠状面和横断面三个基本平面.矢状面沿着身体的前后方向对称地把身体分为左右两部分, 俯仰角定义为姿态在矢状面内的变化角度; 冠状面是指沿身体左右径所作的纵切面, 翻滚角定义为姿态在冠状面内的变化角度; 横断面是指与大地平行的身体横切面, 偏航角定义为姿态在横断面的变化角度.然而, 在使用欧拉角描述旋转运动时, 会存在万向节死锁的问题^[28], 可使用四元数代替欧拉角, 四元数表示方法可提高算法的可靠性, 避免出现万向节死锁问题^[2, 29-31], 在需要建立连续的运动轨迹时, 四元数方法更容易进行插值^[8].文献[32-33]对四元数法进行改进, 使用了参数四元数法, 将四元数分解在更方便计算人体生物学约束的实际关节轴上.除了四元数法之外, 双欧法^[34-36]通过建立正反两个欧拉方程来描述刚体旋转, 利用正、反欧拉角解算精华区和奇异点的倒挂关系, 在二者解算的精华区进行交替计算, 将精华区覆盖了姿态角全域, 能够消除单一欧拉角方法的奇异性问题.

李杰. 基于运动传感的人体姿态实时捕获系统研究[D]. 2016.

本文在基于微型惯性传感器技术的基础上，结合捷联式惯性导航和数据融合原理，设计了一种不受光照约束，抗干扰能力强的全姿态人体姿态捕捉系统。该系统由多个传感节点和一个汇聚控制节点构成，传感器节点主要包含三轴加速度计，三轴陀螺仪，三轴地磁仪，负责采集各肢体部位运动过程中的原始数据，并进行数据的预处理。控制节点汇聚各个传感器节点的数据，最后通过无线传输方式把解算的姿态数据进行打包发送给上位机，在上位机中通过对姿态数据进行进一步解析，以实现对虚拟人体模型关节的数据驱动，从而完成对真实人体运动的捕捉和显示。   (李杰. 基于运动传感的人体姿态实时捕获系统研究[D]. 2016.)