[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

本發明公開了一種基于慣性傳感器的剛體運動追蹤系統及其工作方法，該系統包括可附著在剛體上的慣性傳感器節點和數據采集處理終端。慣性傳感器節點包含慣性傳感器、計算模塊和無線通信模塊。數據采集處理終端包含無線通信模塊和計算機系統。用戶將慣性傳感器節點布置在剛體上，節點實時采集傳感器數據并無線傳輸至數據采集處理終端。當運動結束，計算機系統執行運動追蹤和運動分析算法，對數據做預處理，獲知慣性傳感器節點的加速度，并計算其速度和運動軌跡，再基于慣性傳感器節點的姿態以及剛體上其他點和傳感器節點的相對位置關系對這些點的運動軌跡進行還原，最終可以呈現剛體選定點的運動軌跡并對運動過程中發生的平移和旋轉進行分析。

技術領域

本發明涉及慣性傳感器感知識別，運動追蹤以及運動分析，具體是一種基于慣性傳感器的剛體運動追蹤系統及其工作方法。

背景技術

運動追蹤是指對目標對象的運動狀態進行跟蹤，主要包括測量、跟蹤、記錄目標對象在三維空間中的運動軌跡。當前運動追蹤解決方案主要基于計算機圖形學和圖像處理技術，超聲波、雷達、激光等定位技術以及慣性傳感器。其中最主流的解決方案一般是基于計算機圖形學和圖像處理技術的。通過部署在三維空間中的多個攝像頭，將運動物體(通常會布置標記節點)的運動狀況以圖像的方式記錄下來，再由計算機系統對這些圖像數據進行處理，最終得到運動物體在不同時刻的空間坐標(X,Y,Z)。基于計算機視覺的解決方案可以獲得很高的精度，但其需要較大規模的部署，而且容易受視覺因素干擾，當運動物體受遮擋時精度會有很大偏差。

隨著慣性傳感器，可穿戴計算技術的發展，基于可穿戴慣性傳感器以及智能終端的運動追蹤技術也備受關注。借助可穿戴慣性傳感器節點，用戶可以實時獲取慣性傳感器數據，再由終端設備上的運動追蹤和運動分析算法處理，可以實現對目標剛體的運動過程進行追蹤和分析。目前一些基于慣性傳感器的運動追蹤工作主要關注于還原目標對象的運動姿態或者運動軌跡，缺少對運動過程中不同狀態之間轉換過程的分析，如何能夠兼顧運動追蹤與運動分析是一個值得探究的課題。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提出一種基于慣性傳感器的剛體運動追蹤系統及工作方法，該系統和方法僅需要一個慣性傳感器節點和數據采集處理終端，部署方便，操作簡單，能夠相對精準地捕捉附著慣性傳感器節點的剛體的運動過程，獲取各個時刻剛體的運動加速度和速度信息，還原剛體上多個選定點的運動軌跡，并為剛體運動過程建立數學模型，對運動過程中發生的平移和旋轉進行可靠的分析。

為實現上述發明目的，本發明的技術方案如下：

本發明的一種基于慣性傳感器的剛體運動追蹤系統，該系統包括：

慣性傳感器節點：內置多種慣性傳感器，具備一定的計算、存儲和通信能力，可以方便地附著在剛體表面。

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。

剛體是指在運動過程中以及受力作用后，形狀和大小基本不變，且內部各點的相對位置不變或者變化程度小到可以忽略不計的物體。所述的剛體運動，是指剛體在三維空間中作旋轉、平移的運動，可以理解為三維空間中一組三維坐標到另一組三維坐標的映射。此外，所述的運動追蹤是指對目標對象的運動狀態進行跟蹤，主要包括測量、跟蹤、記錄目標對象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：包含加速度計，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。