[發(fā)明專利]一種基于慣性傳感單元的人體動(dòng)作重構(gòu)與分析系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410833641.5
• 申請(qǐng)日: 2014-12-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104461013A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐正;楊先軍;王重陽(yáng);孫怡寧;許勝?gòu)?qiáng);邱曉磊;馬祖長(zhǎng);張弦;張曉翟;周旭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): G06F3/01
• 分類號(hào): G06F3/01;G06T13/40
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 成金玉;孟卜娟

1.一種基于慣性傳感單元的人體動(dòng)作重構(gòu)與分析系統(tǒng)，其特征在于：包括姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)、WIFI無(wú)線路由器和中心計(jì)算機(jī)；所述姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)獲取人體姿態(tài)信息，包括人體動(dòng)作加速度數(shù)據(jù)、角速度數(shù)據(jù)、地磁數(shù)據(jù)、姿態(tài)角、四元數(shù)以及歐拉角；姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)由多個(gè)慣性傳感單元組成，每個(gè)慣性傳感單元分別安裝在人體的一個(gè)部位，多個(gè)慣性傳感單元將采集到的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI無(wú)線路由器實(shí)時(shí)發(fā)送到中心計(jì)算機(jī)；

所述慣性傳感單元包括電池、電源管理模塊、九軸慣性傳感器、嵌入式WIFI微控制器；所述電池為慣性傳感單元供電，電源管理模塊提供充電及斷電功能；所述九軸慣性傳感器包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀傳感器和三軸地磁傳感器，分別用于采集加速度信號(hào)、角速度信號(hào)和地磁信號(hào)，九軸慣性傳感器與嵌入式WIFI微控制器之間采用串行通信方式連接；嵌入式WIFI微控制器自帶WIFI無(wú)線通信模塊；嵌入式WIFI微控制器采集加速度、角速度及地磁信號(hào)并將三者數(shù)據(jù)進(jìn)行融合得到姿態(tài)角、四元數(shù)及歐拉角等姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，同時(shí)將這些姿態(tài)信息數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI無(wú)線通信模塊經(jīng)由WIFI無(wú)線路由器發(fā)送到計(jì)算機(jī)；嵌入式WIFI微控制器與計(jì)算機(jī)之間采用TCP通信連接，用于接收指令和上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；嵌入式WIFI微控制器接收中心計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令并完成同步、啟動(dòng)采集、停止采集、校準(zhǔn)、休眠、斷電的規(guī)定動(dòng)作；

所述WIFI無(wú)線路由器是中心計(jì)算機(jī)與姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)之間的中繼站，姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)的慣性傳感單元經(jīng)由WIFI無(wú)線路由器與中心計(jì)算機(jī)保持無(wú)線WIFI連接，WIFI無(wú)線路由器具有多信道自適應(yīng)功能，為中心計(jì)算機(jī)與姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)之間提供可靠的數(shù)據(jù)交互鏈路；

所述中心計(jì)算機(jī)經(jīng)由WIFI無(wú)線路由器與慣性傳感單元之間構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；中心計(jì)算機(jī)控制并配置慣性傳感單元工作，同時(shí)接收、存儲(chǔ)和處理慣性傳感單元上傳的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)將各慣性傳感單元數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以完成人體動(dòng)作的重構(gòu)；在人體動(dòng)作重構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提取運(yùn)動(dòng)參數(shù)并分析處理。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性傳感單元的人體動(dòng)作重構(gòu)與分析系統(tǒng)，其特征在于：所述慣性傳感單元被封裝在盒子內(nèi)，與外接綁帶一起構(gòu)成可穿戴設(shè)備，為了完成人體動(dòng)作的重構(gòu)，根據(jù)人體生物力學(xué)特征和關(guān)節(jié)及節(jié)段運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系，將17個(gè)慣性傳感單元分別佩戴在人體的17個(gè)部位，17個(gè)部位分別是：頭部、左肩、右肩、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、胸口、腰、左上腿、右上腿、左下腿、右下腿、左腳和右腳。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性傳感單元的人體動(dòng)作重構(gòu)與分析系統(tǒng)，其特征在于：所述姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)中的慣性傳感單元根據(jù)需要增加或減少。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性傳感單元的人體動(dòng)作重構(gòu)與分析系統(tǒng)，其特征在于：所述姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)中的多個(gè)慣性傳感單元并發(fā)向WIFI無(wú)線路由器發(fā)送數(shù)據(jù)，并由WIFI無(wú)線路由器傳遞給中心計(jì)算機(jī)處理，同時(shí)WIFI無(wú)線路由器將中心計(jì)算機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)傳遞給多個(gè)慣性傳感單元，從而完成數(shù)據(jù)的交互。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性傳感單元的人體動(dòng)作重構(gòu)與分析系統(tǒng)，其特征在于：所述中心計(jì)算機(jī)建立人體虛擬三維模型并根據(jù)接收到的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)人體部位，將人體各個(gè)部位動(dòng)作在三維空間內(nèi)的姿態(tài)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，從而完成人體動(dòng)作的重構(gòu)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性傳感單元的人體動(dòng)作重構(gòu)與分析系統(tǒng)，其特征在于：所述中心計(jì)算機(jī)根據(jù)姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)得到位置、速度、角度、角速度、加速度、角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并繪制重力加速度-時(shí)間曲線、角速度-時(shí)間曲線以及人體各個(gè)環(huán)節(jié)位移速度-時(shí)間曲線、關(guān)節(jié)角度-時(shí)間曲線、位移加速度-時(shí)間曲線、關(guān)節(jié)角加速度-時(shí)間曲線。

7.一種基于慣性傳感單元的人體動(dòng)作重構(gòu)與分析方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟為：

(a)姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)的所有慣性傳感單元上電，完成系統(tǒng)初始化工作；

(b)通過(guò)中心計(jì)算機(jī)發(fā)送出同步時(shí)鐘指令，使姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)的各個(gè)慣性傳感單元具有統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)間；

(c)判斷是否接收到開(kāi)始指令，若是則進(jìn)入(d)，否則繼續(xù)等待；

(d)各個(gè)慣性傳感單元開(kāi)始采集加速度、角速度和地磁傳感器的數(shù)據(jù)信息并暫時(shí)存儲(chǔ)；

(e)各個(gè)慣性傳感單元將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算得到當(dāng)前肢體部位的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)并暫時(shí)存儲(chǔ)；

(f)慣性傳感單元判斷是否采集到設(shè)定的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，若是則進(jìn)入步驟(g)；否則轉(zhuǎn)到步驟(d)；

(g)慣性傳感單元將設(shè)定時(shí)間內(nèi)采集得到的傳感器數(shù)據(jù)和計(jì)算得到姿態(tài)信息數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI無(wú)線通信方式發(fā)送給中心計(jì)算機(jī)；

(h)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，若是則進(jìn)入步驟(i)，否則轉(zhuǎn)到步驟(g)；

(i)判斷是否接收到停止指令，若是則進(jìn)入步驟(j)，否則轉(zhuǎn)到步驟(d)；

(j)數(shù)據(jù)采集過(guò)程結(jié)束。