[發明專利]一種基于慣性傳感器的剛體運動追蹤系統及其工作方法

有效

• 申請號: 201810448583.2
• 申請日: 2018-05-11
• 公開（公告）號: CN108627153B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 謝磊;黃大為;殷亞鳳;陸桑璐
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G08C17/02
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔;徐曉鷺

1.一種基于慣性傳感器的剛體運動追蹤系統，其特征在于該系統包括：

慣性傳感器節點：內置多種慣性傳感器，所述傳感器具備計算、存儲和通信能力，周期性地發送傳感器數據至數據采集處理終端，所述慣性傳感器節點附著在剛體表面；

數據采集處理終端：具備計算、存儲和通信能力的計算機系統，接收從所述慣性傳感器節點傳送過來的各種傳感器數據，存儲并處理，最終生成剛體運動的軌跡以及剛體運動過程中發生的平移和旋轉的分析結果，并向用戶展示；

所述的剛體運動追蹤是指對目標剛體的運動狀態進行跟蹤，包括測量、跟蹤、記錄目標剛體在三維空間中的運動軌跡；

所述慣性傳感器節點固定安裝于剛體表面，其內部包括：

慣性傳感器模塊：所述慣性傳感器模塊可以選擇粘貼于剛體表面，確保慣性傳感器模塊與剛體的相對位置關系固定，中包括三軸加速度計、陀螺儀和磁力計，用于實時測量相應的慣性傳感器數據；

計算模塊：用于處理慣性傳感器原始數據，通過內置的信號濾波算法實時獲取慣性傳感器節點的姿態信息，從而估計出重力加速度在慣性傳感器自身參考坐標系三個軸上的分量，和原始加速度數據相減即可獲取線性加速度；

所述計算模塊對抽取出的線性加速度數據進行參考坐標系的轉換，參考坐標系的轉換是指利用重力加速度向量和磁力計數據向量構建一個地理坐標系；

首先由于指向北方，所以水平面上指向地理東方的向量可以由下式求解：

按如下算式得到水平面上指向地地理北方的向量

于是這三個正交的向量便可以構成地理坐標系，這三個向量各自規范化之后構建方向余弦矩陣DCM，實現從慣性傳感器節點自身坐標系到地理坐標系的轉換：

(X_g,Y_g,Z_g)’＝DCM×(X,Y,Z)’

其中(X_g,Y_g,Z_g)為地理坐標系下的傳感器數據，(X,Y,Z)為基于慣性傳感器節點自身坐標系的原始數據；

傳感器無線通信模塊：用于與終端設備進行信息交互。

2.根據權利要求1所述的基于慣性傳感器的剛體運動追蹤系統，其特征在于，所述數據采集處理終端包括：

處理終端無線通信模塊：用于與慣性傳感器節點進行信息交互；

計算機系統：指具備計算、存儲和通信能力的計算機，通過處理終端無線通信模塊接收慣性傳感器數據作為輸入，執行運動追蹤和運動分析算法，獲知剛體每一時刻的加速度和速度信息，計算剛體運動的軌跡，并分析剛體在運動過程中平移和旋轉的情況。