人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種對在運動平臺上或地面上進行作業(yè)活動的人體或假人的多個部位的位置變化和姿態(tài)變化進行監(jiān)測的技術(shù)，其特征在于：監(jiān)測裝置由一個主機、多個采集模塊和一臺計算機構(gòu)成，主機為采集模塊供電并提供統(tǒng)一的采集同步信號，采集模塊同步記錄人體多個部位的加速度、角速度和地磁數(shù)據(jù)，監(jiān)測結(jié)束后由計算機對數(shù)據(jù)進行解算處理；解算處理包含截取數(shù)據(jù)段、異常數(shù)據(jù)修正、判定解算初始時刻、確定地面坐標(biāo)系和平臺坐標(biāo)系、計算初始時刻坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣、按時間正向或反向積分迭代計算任意時刻轉(zhuǎn)換矩陣、計算相對位移和姿態(tài)角一系列步驟，最終獲取人體各部位的相對位移和姿態(tài)角變化數(shù)據(jù)。
【專利說明】人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置和方法 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種對在運動平臺上或地面上進行作業(yè)活動的人體或假人的多個部 位的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測的技術(shù)，可用于飛機彈射起飛和阻攔降落時的人體運動與姿 態(tài)監(jiān)測、汽車制動和相撞時的人體運動與姿態(tài)監(jiān)測、機械臂運動與姿態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在很多領(lǐng)域需要監(jiān)測人體運動與姿態(tài)，如日常的計步器、人體跌倒報警、體育運動 動作分析、飛機彈射起飛和阻攔降落、汽車操作與碰撞，甚至動畫制作等。對不同的應(yīng)用，都 有其特有的需求和限制。
[0003] 人體運動與姿態(tài)監(jiān)測有多種方法，有的方法可以監(jiān)測人體運動，有的方法可以監(jiān) 測人體姿態(tài)，有的既可以監(jiān)測運動，又可以監(jiān)測姿態(tài)，主要包括機械測量監(jiān)測法、光學(xué)測量 監(jiān)測法和慣性測量監(jiān)測法。機械測量監(jiān)測法依靠佩戴于人體的測量機構(gòu)，將人體被測量部 位的姿態(tài)變?yōu)檗D(zhuǎn)動角度，進行測量，如公布號CN 103750843 A就給出了一種這樣的監(jiān)測方 法。光學(xué)測量監(jiān)測法依靠光學(xué)攝影裝置，獲得被監(jiān)測人體的圖像，通過計算機對圖像的分析 解算獲得人體的姿態(tài)數(shù)據(jù)，為了提高識別效率有時要求人體佩戴光標(biāo)志物，如公布號CN 104063677 A就給出了一種這樣的監(jiān)測方法。慣性測量監(jiān)測法依靠佩戴于人體被測部位的 慣性測量裝置，獲得人體的加速度、角速度以及地磁數(shù)據(jù)，通過解算方法，獲得人體的運動 和姿態(tài)數(shù)據(jù)，如公布號CN 104461013 A就給出了一種這樣的監(jiān)測方法。隨著MEMS技術(shù)的發(fā) 展，慣性傳感器體積更小、質(zhì)量更輕、功耗更低，使得采用MEMS慣性傳感器的人體運動和姿 態(tài)監(jiān)測裝置制作得更加小巧，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。
[0004] 目前，已經(jīng)出現(xiàn)了許多采用慣性測量技術(shù)進行人體運動與姿態(tài)監(jiān)測的技術(shù)方案。 下面是幾個采用慣性測量方法的人體運動與姿態(tài)監(jiān)測技術(shù)方案 :XsenS公司、Trivisio公司 的人體跟蹤監(jiān)測產(chǎn)品，采用了慣性測量技術(shù)，可使用多個采集模塊，通過無線信號同步采集 和發(fā)送人體運動和姿態(tài)信號，可以實現(xiàn)對在地面上運動的人體的跟蹤監(jiān)測，獲得人體運動 過程的位置和姿態(tài)變化，采集速率為100Hz，在娛樂、體育和醫(yī)療方面都有應(yīng)用。公布號CN 104461013 A給出了一種基于慣性傳感單元的人體動作監(jiān)測方法，通過WIFI路由器同步17 個固定于人體各部位的九軸慣性傳感單元，分別獲取加速度信號、角速度信號和地磁信號， 由微控制器將三種信號融合得到姿態(tài)角、四元數(shù)及歐拉角等姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，再通過WIFI路 由器發(fā)送給使用者，WIFI信號同時擔(dān)負采集同步和采集數(shù)據(jù)實時傳送，采集的點越多，傳送 數(shù)據(jù)通道越擁擠，不能既滿足高采樣率又滿足多采集點的雙重要求，WIFI的時間同步精度 也受到限制。公布號CN 103961109 A給出了一種基于加速度信號和角速度信號的人體姿態(tài) 檢測裝置，采用兩個傳感器節(jié)點的佩戴方式，采集人體姿態(tài)變化過程中的加速度和角速度 信息，通過對信息的計算能夠識別靜態(tài)姿態(tài)一站、坐、躺和動態(tài)姿態(tài)一走、跑、上樓梯、下樓 梯，并不能計算獲得身體各部分的位移和姿態(tài)數(shù)據(jù)。
[0005] 上述這些現(xiàn)有技術(shù)可以解決在地面上的人體運動與姿態(tài)監(jiān)測問題，滿足了步態(tài)監(jiān) 測、人體姿態(tài)跟蹤、計步、判斷人體狀態(tài)等需要。但對于在運動平臺上的人體運動與姿態(tài)監(jiān) 測問題沒有解決方案，對飛機阻攔降落、彈射起飛，車輛緊急制動、碰撞等運動平臺上的人 體姿態(tài)急速變化的情況也無法使用。在這些情況下對人體運動與姿態(tài)進行監(jiān)測，可以分析 在這些特定工作狀態(tài)下的人體運動和姿態(tài)變化過程，進而分析人體動力學(xué)響應(yīng)，解決這些 特殊工況下的人機功效問題，評價其對人體可能產(chǎn)生的各種影響，為相關(guān)平臺和設(shè)備的設(shè) 計、人員訓(xùn)練等提供技術(shù)支撐，具有非常重要的實際意義。雖然在這些特殊情況下可以采用 光學(xué)測量監(jiān)測法，但需要在運動平臺的人體周圍安裝不少光學(xué)測量設(shè)備，這些安裝和改動 不但很麻煩，而且在一些情況下是很難獲得允許的。因此，針對運動平臺上的人體運動和姿 態(tài)監(jiān)測問題，解決飛機、車輛、船舶等運動平臺上的特殊工況下人體動力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測，提出 一套基于慣性測量監(jiān)測技術(shù)的方案，是很有價值和意義的。
[0006] 為了能夠使慣性測量技術(shù)應(yīng)用于這些場合，必須解決如下一些重要問題:①運動 平臺有電磁環(huán)境要求，如飛機上不允許人體監(jiān)測設(shè)備使用無線通信方式。②人體在急速運 動時的運動參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)變化很快，人體各部位的慣性測量單元必須具有高采樣率，才 能確保采集數(shù)據(jù)的可靠和真實。③人體各部位的慣性測量單元必須準(zhǔn)確地同步進行采集， 否則不同時刻人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)混淆將導(dǎo)致慣性解算的錯誤。④對人體進行長時間監(jiān)測 時，慣性測量的漂移很大，通常的慣性測量初始對準(zhǔn)方法不能使用，必須通過有效的技術(shù)手 段解決。⑤慣性采集模塊需穿戴于人體，各采集模塊的體積和重量必須輕巧，以免影響人體 作業(yè)，必須在結(jié)構(gòu)構(gòu)成上減輕重量，減小體積。⑥與在地面上的慣性解算方法完全不同，必 須提出適合人體相對于運動平臺的慣性解算方法。這幾個問題是相互關(guān)聯(lián)的，必須系統(tǒng)地 解決。
[0007] 從運動和姿態(tài)測量角度看，人體可以看成由多個肢體、頭部和軀體這些運動部分 構(gòu)成，通過活動機構(gòu)結(jié)合在一起，這些部分的位置參數(shù)和角度參數(shù)就構(gòu)成了整個人體的運 動和姿態(tài)。因此，測量獲得各部位的角度信息和位移信息就可以確定整個人體的運動和姿 〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對運動平臺上人體運動和姿態(tài)監(jiān)測所面臨的技術(shù)問題，在現(xiàn)有慣性測量 相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種穿戴式的可用于運動平臺和地面平臺的人體運動與姿態(tài)監(jiān) 測的裝置和方法。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)思想：①提出了運動平臺上人體運動與姿態(tài)監(jiān)測的特殊需求，梳理 出需要解決的技術(shù)難題。②提出了多個采集模塊與主機的結(jié)構(gòu)方案，確定了采集模塊和主 機的功能、相互關(guān)系和連接方式。③提出了滿足精確同步多個采集模塊、實現(xiàn)高速采集、長 時間工作、體積小重量輕、便于采集模塊擴展等多種要求的技術(shù)解決方案，實現(xiàn)了穿戴式監(jiān) 測。④提出了能夠在長時間慣性測量漂移情況下解決慣性測量初始對準(zhǔn)的技術(shù)方案，實現(xiàn) 了對人體運動和姿態(tài)的分段解算。⑤提出了適用于運動平臺上人體運動與姿態(tài)監(jiān)測的慣性 測量解算方法，實現(xiàn)了通過對多個采集模塊加速度、角速度、地磁信號數(shù)據(jù)解算獲取人體各 部分相對于運動平臺和相互之間運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案:人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置和方法，是以慣性測量器件、計算機 和數(shù)控器件為核心，以慣性空間變換和動力學(xué)算法為關(guān)鍵點，獲取人體運動和姿態(tài)信息的 裝置和方法。
[0011] 監(jiān)測裝置由一個主機、多個采集模塊和一臺計算機構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理方法包括人體 運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)解算處理方法。
[0012] 主機由數(shù)控器件、電池、電源穩(wěn)壓器件、按鈕、指示燈和接口構(gòu)成。數(shù)控器件控制主 機各部分的工作，電池為主機和采集模塊供電，電源穩(wěn)壓器件保持主機和采集模塊工作電 壓的穩(wěn)定，按鈕提供主機功能選擇，指示燈顯示主機工作狀態(tài);一個接口包含供電線路和同 步信號線路，在監(jiān)測時連接主機與各采集模塊，用于主機為各采集模塊供電和提供采集同 步信號；另一個接用連接主機與計算機，在裝置用于人體運動和姿態(tài)監(jiān)測前，由計算機完成 對主機同步采樣率的設(shè)置;兩個接口也可以合并為一個，在與計算機連接和與采集模塊連 接時采用不同的連接線纜，分別實現(xiàn)兩個接口的功能。數(shù)控器件為單片機、DSP器件或FPGA 器件。同步信號線路可以為一根傳輸脈沖信號的線路，通過脈沖前沿或后沿為各采集模塊 提供采集同步;也可以為兩根線路構(gòu)成的CAN總線或485總線，通過傳送特定數(shù)據(jù)包為各采 集模塊提供采集同步信號。
[0013] 采集模塊有多個，各采集模塊的構(gòu)成完全相同，包括數(shù)控器件、MEMS慣性測量器 件、非易失性存儲器件、按鈕、指示燈和接口；數(shù)控器件控制采集模塊各部分的工作，MEMS慣 性測量器件獲取采集模塊所在位置的加速度、角速度和地磁數(shù)據(jù)，非易失性存儲器件在數(shù) 控器件的控制下按照時間順序儲存MEMS慣性測量器件獲取的加速度、角速度、地磁數(shù)據(jù)和 時間標(biāo)志;時間標(biāo)志數(shù)據(jù)按照時間順序編碼，當(dāng)個別數(shù)據(jù)段出現(xiàn)存儲錯誤時，提供分段數(shù)據(jù) 對準(zhǔn);加速度、角速度、地磁數(shù)據(jù)按照時間順序存儲在各時間標(biāo)志之間。一個外接口包括供 電線路和同步信號線路，用于各采集模塊與主機的連接，當(dāng)采集模塊用于人體運動和姿態(tài) 監(jiān)測時，各采集模塊通過該接口接受主機的供電和采集同步信號；另一個接口用于采集模 塊與計算機，在裝置用于人體運動和姿態(tài)監(jiān)測前，由計算機設(shè)置采集模塊的編號和時間標(biāo) 志間隔，在裝置用于人體運動和姿態(tài)監(jiān)測后，由計算機讀取各采集模塊獲取的按照時間標(biāo) 志順序儲存的人體加速度、角速度、地磁數(shù)據(jù)和時間標(biāo)志;兩個接口也可以合并為一個，在 與計算機連接和與主機連接時采用不同的連接線纜，分別實現(xiàn)兩個接口的功能。MEMS慣性 測量器件為可以測量三個方向的加速度、三個方向的角速度和三個方向的地磁的九軸MEMS 慣性測量芯片，或分別由可以測量三個方向加速度的MEMS慣性測量芯片、可以測量三個方 向角速度的MEMS慣性測量芯片和可以測量三個方向地磁的芯片構(gòu)成;加速度、角速度、地磁 的三個測量軸采用同一個坐標(biāo)系，稱為采集模塊坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系是滿足右手法則的正交 坐標(biāo)系，其原點為采集模塊的中心，各軸為采集模塊慣性測量器件的測量軸，該坐標(biāo)系標(biāo)示 于各采集模塊的外殼上。時間標(biāo)志間隔應(yīng)為采樣頻率的整數(shù)倍，設(shè)置范圍為數(shù)秒，時間標(biāo)志 間隔越小，對提高采集數(shù)據(jù)存儲的可靠性越好，同時存儲器存儲空間的有效利用率越低。 [0014]計算機作為人體運動與姿態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析設(shè)備，通過計算所具備的接口，分別 與主機和采集模塊連接，對主機和采集模塊進行工作參數(shù)設(shè)置，讀取采集模塊采集獲得的 反映人體運動和姿態(tài)的加速度、角速度和地磁數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)采集方 法和數(shù)據(jù)解算處理方法，計算獲得人體在一個特定時間段的加速度、速度、位移和角速度、 角度數(shù)據(jù)。主機的工作參數(shù)為同步采樣率，采集模塊的工作參數(shù)設(shè)置為采集模塊的編號和 時間標(biāo)志間隔。
[0015]人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)采集方法包括如下步驟:根據(jù)人體運動和姿態(tài)監(jiān)測需要，確 定要監(jiān)測的人體部位和監(jiān)測點；依據(jù)人體部位監(jiān)測點數(shù)量確定使用的采集模塊的數(shù)量n;根 據(jù)采集需要設(shè)定主機的同步采樣率，設(shè)定采集模塊編號和時間標(biāo)志間隔，采樣模塊的編號 設(shè)置范圍為0~n;將0號采集模塊固定于人體所在運動平臺上，若人體所在平臺為地面或建 筑物面，可以將人體靠近地面或建筑物面的一個采集模塊編為0號采集模塊;其他編號采集 模塊分別固定于人體各部位的監(jiān)測點，主機固定于人體腰部或固定于不影響人體作業(yè)動作 的人體所在平臺上;將各采集模塊的接口與主機接口通過電纜線連接;使人體所在運動平 臺相對于地面處于靜止?fàn)顟B(tài)，人體保持特定初始姿態(tài)，測量安裝好的各采集模塊中心相對 于〇號采集模塊中心的位置數(shù)據(jù)，并依次將采集模塊標(biāo)號、人體部位、相對于〇號模塊的中心 的位置偏移數(shù)據(jù)輸入計算機;按下主機和采集模塊的相關(guān)按鈕，啟動主機和各采集模塊工 作，開始采集各模塊所在位置的加速度、角速度、地磁數(shù)據(jù)，并按照時間標(biāo)志順序，一并存儲 在各采集模塊的非易失性存儲器件中，形成采集數(shù)據(jù)序列;采集過程中，人體在平臺上開始 進行各種操作動作，直至完成全部作業(yè)過程;人體在進行每個需要分析的作業(yè)動作前后，應(yīng) 有一段時間使人體姿態(tài)恢復(fù)到開始時的特定初始姿勢，并保持人體所在平臺相對于地面不 做加速運動，該段時間的長短與采集頻率相關(guān)，對于1000Hz的采集頻率，該段時間一般應(yīng)大 于0.1秒;整個作業(yè)過程結(jié)束后，按下主機和采集模塊的相關(guān)按鈕，停止主機和各采集模塊 工作，取下各采集模塊和主機，通過接口連接各采集模塊和計算機，由計算機讀取各采集模 塊的非易失性存儲器件中的代表人體運動和姿態(tài)的原始數(shù)據(jù)；
[0016] 采集數(shù)據(jù)序列包括按照設(shè)定的時間標(biāo)志間隔記錄的時間標(biāo)志數(shù)據(jù)和采集模塊的 加速度、角速度、地磁數(shù)據(jù);時間標(biāo)志數(shù)據(jù)按照時間順序編碼，當(dāng)個別數(shù)據(jù)段出現(xiàn)存儲錯誤 時，提供分段數(shù)據(jù)對準(zhǔn)，避免全部數(shù)據(jù)無法使用;加速度、角速度、地磁數(shù)據(jù)按照時間順序存 儲。
[0017] 采集模塊坐標(biāo)系在人體運動過程中隨該采集模塊固定處運動，采集模塊坐標(biāo)系的 位置和方向的變化代表了該模塊所處位置的運動和姿態(tài)的變化;第i號采集模塊在j時刻 (采集數(shù)據(jù)的時間順序號）的采集模塊坐標(biāo)系表示為〇(i，j)X(i，j) Y(i，j) Z (i，j)，0(i，j)為 第i號采集模塊中心在j時刻的位置點，為坐標(biāo)系的原點，〇(i，j)X(i，j)、0( i，j )Y( i，j)、0 (i，j)Z(i，j)為第i號采集模塊在j時刻的三個慣性測量軸的方向，與標(biāo)示于采集模塊上的 標(biāo)識方向一致。
[0018] 采集模塊中存儲的人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)包括:&(1，」\、&(1，」\、 &(1，」）2，分別為 第i個采集模塊在j時刻的相對于慣性坐標(biāo)系的加速度^在該采集模塊坐標(biāo)系〇(i，j)X(i， 」)￥(1，]_)2(1，]_)的0(1，]_)父(1，]_)、0(1，]_)￥(1，]_)、0(1，]_)2(1，]_)方向上的分量；《(1，」\、 ?(1，認(rèn)、《(1，認(rèn)，分別為第1個采集模塊在財刻的相對于慣性坐標(biāo)系的角速度^；在該采 集模塊坐標(biāo)系 0(i，j)X(i，j)Y(i，j)Z(i，jW90(i，j)X(i，j)、0(i，j)Y(i，j)、0(i，j)Z(i，j) 方向上的分量;m( i，j )x、m( i，j )y、m( i，j )z，分別為第i個采集模塊在j時刻的磁場m在該采 集模塊坐標(biāo)系 0(i，j)X(i，j)Y(i，j)Z(i，jW90(i，j)X(i，j)、0(i，j)Y(i，j)、0(i，j)Z(i，j) 方向上的分量。
[0019] 人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)解算處理由計算機完成，其方法包括如下步驟:確定需要解 算的人體作業(yè)動作;從讀取的各采集模塊的采集數(shù)據(jù)序列中，按照時間標(biāo)志，截取包含人體 作業(yè)動作的時間間隔內(nèi)的所有加速度、角速度和磁場數(shù)據(jù);對截取的數(shù)據(jù)進行異常數(shù)據(jù)修 正;確定非加速運動判定值PQ;確定數(shù)據(jù)解算初始時刻k;確定地面坐標(biāo)系和平臺坐標(biāo)系;計 算k時刻地面坐標(biāo)系在各采集模塊坐標(biāo)系各軸的投影;計算k時刻由地面坐標(biāo)系向采集模塊 坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣;計算k時刻由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變 換的轉(zhuǎn)換矩陣;計算由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣;計算k時刻 各采集模塊中心相對于平臺坐標(biāo)系的運動；計算各采集模塊中心相對于平臺坐標(biāo)系的運 動;計算各采集模塊坐標(biāo)系相對于平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)角。各采集模塊坐標(biāo)系相對于平臺坐 標(biāo)系的姿態(tài)角包括航向角、俯仰角和傾斜角。
[0020] 人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)解算處理的算法如下：
[0021] (a)截取數(shù)據(jù)段:根據(jù)需要解算的人體作業(yè)動作，確定人體運動與姿態(tài)數(shù)據(jù)的起始 時刻h和終止時刻k 2,通過時間標(biāo)志對比，確認(rèn)該時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄完整，截取各采集模 塊處于kl~k2時刻之間的采集數(shù)據(jù)序列，得到該段時間內(nèi)的加速度、角速度和磁場強度數(shù) 據(jù)：
[0022] a(i，j)x、a(i，j)y、a(i，j)z (Xi<n，ki<j<k2
[0023] 〇 (i，j)x、w (i，j)y、w (i，j)z (Xi<n，ki< j<k2
[0024] m(i，j)x、m(i，j)y、m(i，j)z (Xi<n，ki<j<k2;
[0025] (b)對截取的數(shù)據(jù)進行異常數(shù)據(jù)修正：
[0026]對截取的數(shù)據(jù)進行平滑濾波，平滑濾波的階數(shù)根據(jù)人體和人體所在平臺的加速度 變化確定，加速度變化越劇烈，平滑濾波階數(shù)越低，反之就越高；
[0027]平滑濾波后的數(shù)據(jù)為：
[0028] aP(i，j)x、aP(i，j) y、aP(i，j)z (Xi<n，ki<j<k2
[0029] 〇P(i，j)x、wp(i，j) y、《p(i，j)z (Xi<n，ki< j<k2
[0030] mP(i，j)x、mP(i，j) y、mP(i，j)z (Xi<n，ki<j<k2;
[0031] 將i，j對應(yīng)的截取的數(shù)據(jù)與濾波后的數(shù)據(jù)進行比較，如果兩者差的絕對值大于某 門限值，則剔除該截取的數(shù)據(jù)值，用該時刻前后的插值替換之；
[0032] 門限值的大小根據(jù)被監(jiān)測的人體所在平臺和人體的加速度變化確定，加速度變化 越劇烈，門限值越大，反之就越小；
[0033] (c)確定非加速運動判定值po:
[0034]用PQ值判定人體及人體所在平臺的運動情況，PQ越小說明人體及人體所在平臺的 加速度越小，相對于地面更接近于勻速運動，人體及人體所在平臺的勻速運動的時刻即為 人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)解算處理的初始時刻;po根據(jù)所監(jiān)測對象的運動特點確定，為了獲得 較高的解算精度，應(yīng)盡可能取較小的PQ值，一般可取PQ為0.1，在解算過程中再逐步調(diào)整； [0035] (d)確定數(shù)據(jù)解算初始時刻k:
[0036]按照公式（1)計算人體所在平臺和人體各部位的加速度幅值與重力加速度的偏離 比P(i，j);
[0038]公式(1)中的g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎担?br>[0039]在(hSj彡k2)范圍內(nèi)，尋找對所有的i，均滿足p ( i，k)彡pQ的時刻k，則該時刻k即 可作為初始參考時刻;如果不存在這樣的時刻k，則需減小1^，增大k2，再次尋找相應(yīng)的時刻 k;如果通過調(diào)整h、k2的值仍無法找到符合條件的k，則適當(dāng)增大p〇值，直至找到符合條件的 k；
[0040] (e)確定地面坐標(biāo)系和平臺坐標(biāo)系：
[0041]地面坐標(biāo)系定義為0NEG，0是k時刻0號采集模塊中心所處的位置點，作為地面坐標(biāo) 系的原點;0G由原點0發(fā)出，指向為重力方向；0E由原點出發(fā)，指向垂直于重力和地磁指向構(gòu) 成的平面;0N垂直于0E和0G構(gòu)成的平面，符合坐標(biāo)系的右手法則;地面參考坐標(biāo)系0NEG在數(shù) 秒至數(shù)十秒的時間段內(nèi)可視為慣性坐標(biāo)系，k時刻各采集模塊所處的位置、重力和地磁方向 決定了地面坐標(biāo)系的位置和方向，在人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)解算處理過程中，地面坐標(biāo)系保 持不變；
[0042]平臺坐標(biāo)系定義為0(0，1〇乂(0，1〇￥(0，1〇2(0，1〇,0(0，1〇為1^時刻0號采集模塊的中 心，0(0，1〇乂(0，1〇、0(0，1〇￥(0，1〇、0(0，1〇2(0，1〇為0號采集模塊在1^時刻的三個測量軸向， 構(gòu)成符合右手法則的坐標(biāo)系;平臺坐標(biāo)系就是k時刻的0號采集模塊的采集模塊坐標(biāo)系，平 臺坐標(biāo)系確定后保持不變，平臺坐標(biāo)系相對于地面坐標(biāo)系保持固定的位置和姿態(tài)；
[0043] (f)計算k時刻地面坐標(biāo)系在各采集模塊坐標(biāo)系各軸的投影：
[0044] 按照公式(2)、（3)、（4)計算地面坐標(biāo)系0NEG的0E軸矢量在i號采集模塊的0(i，k)X (i，k)、0(i，k)Y(i，k)、0(i，k)Z(i，k)軸的投影；
[0048]公式（2)、（3)"4)中，(^(1，1^、(^(1，1^、(^(1，1〇2為地面坐標(biāo)系0呢6的(^軸矢 量在 i 號采集模塊的 0(1，1〇乂(1，1〇、0(1，1〇￥(1，1〇、0(1，1〇2(1，1〇軸的投影；
[0049]按照公式(5)、（6)、（7)對0Ee(i，k)x、0Ee( i，k)y、0Ee(i，k)z進行單位化；
[0053]公式(5)、（6)、（7)中，0E(i，k)x、0E(i，k)y、0E(i，k) z為地面坐標(biāo)系0NEG的0E軸單位 矢量在 i 號采集模塊的 0(1，1〇乂(1，1〇、0(1，1〇￥(1，1〇、0(1，1〇2(1，1〇軸的投影；
[0054]按照公式(8)、（9)、（10)計算地面坐標(biāo)系0NEG的0N單位矢量在i號采集模塊的0(i， k)X(i，k)、0(i，k)Y(i，k)、0(i，k)Z(i，k)軸的投影；
[0058] 公式(8)、（9)、（10)中，(^(1，1〇\、(^(1，1〇^(^(1，1〇2為地面坐標(biāo)系0呢6的(^單位 矢量在 i 號采集模塊的 0(1，1〇乂(1，1〇、0(1，1〇￥(1，1〇、0(1，1〇2(1，1〇軸的投影；
[0059] (g)計算在k時刻由地面坐標(biāo)系向各采集模塊坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣：
[0060] 由公式（11)、（12)、（13)三個矩陣方程進行計算，可獲得在砂寸刻由地面坐標(biāo)系向 采集模塊坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣s( i，k)，S( i，k)構(gòu)成如公式(14)所示；
[0066]由S(i，k)轉(zhuǎn)置獲得在k時刻由采集模塊坐標(biāo)系向地面坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換 矩陣T(i，k)如公式(15)所示；
[0068] T (0，k)即為由平臺坐標(biāo)系向地面坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣；
[0069] (h)計算k時刻由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣：
[0070] 由公式（16)計算k時刻由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣 TP(i，k);
[0072]公式（16)中，了⑶泳廣為了⑴上丨的轉(zhuǎn)置；
[0073] (i)計算其他時刻由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣：
[0074] 如果k位于所分析的時間段前部，按照公式（17)依次以時間間隔A t順時間方向進 行數(shù)字積分的迭代運算，可以獲得k時刻之后各時刻由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行 坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣；
[0076]如果k位于所分析的時間段后部，按照公式（18)依次以時間間隔A t逆時間方向進 行數(shù)字積分的迭代運算，可以獲得k時刻之前各時刻由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行 坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣；
[0078] (j)計算k時刻各采集模塊中心相對于平臺坐標(biāo)系的運動：
[0079] k時刻0號采集模塊中心是平臺坐標(biāo)系的原點，因此，k時刻0號采集模塊中心在平 臺坐標(biāo)系各軸的投影均為零，由公式(19)獲得；
[0081] 公式（19)中，1(0，1〇1?、1(0，1〇1^、1(0，1〇1^為1^時刻0號采集模塊中心在平臺坐標(biāo)系 0(0，1〇父(0，1〇、0(0，1〇￥(0，1〇、0(0，1〇2(0，1〇三軸的投影 ；
[0082] k時刻其他各采集模塊中心的位置，由采集模塊安裝時采集模塊中心相對于0號采 集模塊中心，即平臺坐標(biāo)系原點的相互位置決定，由公式(20)獲得；
[0084]公式(20)中，1(1，1〇1?、1(1，1〇1^、1(1，1〇1^為1^時刻編號大于0的1號采集模塊中心 在平臺坐標(biāo)系 0(0，1〇父(0，1〇、0(0，1〇￥(0，1〇、0(0，1〇2(0，1〇三軸的投影^^、711()、2^為編號 大于〇的i號采集模塊中心在平臺坐標(biāo)系0(0，1〇乂(0，1〇、0(0，1〇￥(0，1〇、0(0，1〇2(0，1〇三軸 的投影，此數(shù)據(jù)來自采集模塊安裝固定時的測量結(jié)果記錄；
[0085] k時刻人體與人體所在平臺保持相對位置不變，各采集模塊具有相同的運動速度 由公式(21)獲得；
[0087]公式(21)中，<1，1〇1?、奴1，1〇1^^(1，1〇1)2為砂寸刻1號采集模塊運動速度在平臺坐 標(biāo)系 0(0，1〇父(0，1〇、0(0，1〇￥(0，1〇、0(0，1〇2(0，1〇三軸的投影，￥1?()、￥1^、￥ 1)2()為三軸投影的 數(shù)值，由人體所在平臺提供，當(dāng)人體所在平臺為地面及其上的建筑物時，VpXQ、VpyQ、Vp ZQ的值 均為〇;
[0088] (k)計算其他時刻各采集模塊中心相對于平臺坐標(biāo)系的運動：
[0089] 按照公式(22)，將各采集模塊的加速度變換到平臺坐標(biāo)系；
[0091 ]公式(22)中，a (i，j)PX、a (i，j)Py、a (i，j)PZ為第i個采集模塊在j時刻的加速度在平 臺坐標(biāo)系 0(0，1〇父(0，1〇、0(0，1〇￥(0，1〇、0(0，1〇2(0，1〇三軸的投影；
[0092]如果k位于所分析的時間段前部，按照公式(23)、（24)，依次以時間間隔At順時間 方向，進行數(shù)字積分的迭代運算；
[0095]如果k位于所分析的時間段后部，按照公式(25)、（26)，依次以時間間隔At逆時間 方向，進行數(shù)字積分的迭代運算；
[0098] (1)計算各采集模塊坐標(biāo)系相對于平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)角：
[0099] 如果k位于所分析的時間段前部，由公式(27)、（28)、（29)計算各采集模塊坐標(biāo)系 相對于平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)角；
[0103]如果k位于所分析的時間段后部，由公式(30)、（31)、（32)計算各采集模塊坐標(biāo)系 相對于平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)角；
[0107] 公式(27)、（28)、（29)、（30)、（31)、（32)中紳（1，]_)、9(1]_)、7(1，]_)分別為1號采 集模塊在j時刻的采集模塊坐標(biāo)系相對于平臺坐標(biāo)系的航向角、俯仰角和傾斜角；
[0108] 由這些姿態(tài)角還可以計算獲得在j時刻任意兩個采集模塊的采集模塊坐標(biāo)系之間 的航向角、俯仰角和傾斜角。
[0109] 本發(fā)明的有益效果:該發(fā)明系統(tǒng)地提出了人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置和方法，針對 運動平臺上人體運動與姿態(tài)監(jiān)測的特殊需求，解決了多個采集模塊精確同步、高速采集、長 時間工作、減小體積與重量、多采集模塊擴展等相互制約的技術(shù)問題，實現(xiàn)了穿戴式監(jiān)測； 提出了適應(yīng)長時間慣性測量分段初始對準(zhǔn)，按時間正向解算與按時間反向節(jié)解算相結(jié)合的 慣性測量數(shù)據(jù)解算方法，適應(yīng)了運動平臺上人體多部位運動與姿態(tài)監(jiān)測的解算需要，實現(xiàn) 了通過對多個采集模塊加速度、角速度、地磁數(shù)據(jù)，解算獲取人體各部分相對于運動平臺的 運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)。該技術(shù)方案的主要特點：一是低負荷。在進行人體運動與姿態(tài)監(jiān)測時，各 采集模塊與主機模塊之間采用單線纜連接，裝置的主要重量部分電源安裝于主機內(nèi)，使安 裝于人體各運動部位的采集模塊減小了大部分的尺寸和重量，采集模塊對人體運動的干擾 降低到了最小程度，提高了穿戴監(jiān)測的效果。二是低輻射。各采集單元用單條線纜連接，電 纜僅包括供電和同步信號線，并采用輻射屏蔽，線路輻射很小。三是可擴展，由于各采集模 塊內(nèi)部包括存儲芯片，采集模塊和主機之間采用同步信號統(tǒng)一控制采樣頻率，所以進行人 體運動與姿態(tài)監(jiān)測時采集模塊連接的多少不影響采集頻率，也不會影響采集數(shù)據(jù)的儲存空 間，無論連接多少個采集模塊，采集的技術(shù)性能不會受到影響，可以適應(yīng)性多種采集需要。 四是分段確定初始時刻，避免慣性測量的時間漂移。五是采用沿時間正向積分迭代與逆時 間反向迭代算法，適應(yīng)多種人體快速運動和姿態(tài)變化監(jiān)測需要。
【附圖說明】
[0110] 圖1是人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置的構(gòu)成圖
[0111] 圖2是采集模塊的部件構(gòu)成圖
[0112] 圖3是采集模塊控制程序流程圖
[0113] 圖4是主機的部件構(gòu)成圖
[0114] 圖5是主機控制程序流程圖
[0115] 圖6是解算流程圖
[0116] 圖7是平臺坐標(biāo)系與采集模塊坐標(biāo)系角度轉(zhuǎn)換關(guān)系圖
[0117] 圖8是人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置的一種連接方式示意圖 [0118]圖9是人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置的另一種連接方式示意圖
【具體實施方式】
[0119]參照附圖，詳細說明本發(fā)明的實施實例如下：
[0120]人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置的采集模塊包含1個STM32微處理器、1個外部晶振時鐘、 1個MPU9255九軸慣性傳感器、1個YB1210ST25R300電源穩(wěn)壓器LD0、1個8G的microSD芯片、1 個LED指示燈(可用顏色、常亮、閃爍表示不同的工作狀態(tài)）、1個開關(guān)按鈕，采用微處理器的 USB接口作為與計算機連接的接口，采用1條線路從主機接收采集同步信號，另有2條線作為 地線和電源線，接受來自主機的供電。電路板采用4層結(jié)構(gòu)，雙面安裝電路元器件。按照采集 模塊控制程序流程圖編制采集模塊的控制程序。
[0121] 人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置的主機包含1個STM32微處理器、1個外部晶振時鐘、1個 YB1210ST25R300電源穩(wěn)壓器LD0、1個鋰離子充電電池、1個LED指示燈(可用顏色、常亮、閃爍 表示不同的工作狀態(tài)）、1個電源開關(guān)按鈕、1個采集啟動按鈕、1個采集停止按鈕，采用微處 理器的USB接口作為與計算機連接的接口，采用1條脈沖線路向采集模塊發(fā)送采集同步信 號，同步脈沖頻率為1000Hz，另有2條線作為地線和電源線向采集模塊供電。電路板采用4層 結(jié)構(gòu)，雙面安裝電路元器件。按照主機控制程序流程圖編制主機的控制程序。
[0122] 計算機采用筆記本電腦，通過其USB 口分別與主機和采集模塊連接，并安裝按照解 算流程圖編制的人體運動與姿態(tài)監(jiān)測解算軟件，該軟件的解算過程依據(jù)人體運動和姿態(tài)數(shù) 據(jù)解算處理方法及具體算法。
[0123] 人體運動和姿態(tài)監(jiān)測裝置使用前應(yīng)先進行電池充電、設(shè)置主機采集頻率、設(shè)置采 集模塊的編號和時間標(biāo)志間隔。根據(jù)所要監(jiān)測的人體運動和姿態(tài)的特點，確定合適的人體 監(jiān)測部位，確定采用模塊的數(shù)量，并安裝采集模塊和主機，接好主機和采集模塊的連接線 纜。比如對于飛機阻攔降落時的人體運動和姿態(tài)監(jiān)測，可以將采樣頻率設(shè)置為1000Hz，可選 擇人體頭部和頭盔、頸部、胸部、腰部、兩個上肢的上段和下段、兩個下肢的上段和下端、飛 行員座椅底座作為安裝采集模塊的位置，座椅底座作為〇號采集模塊，其他采集模塊依次安 裝，安裝可采用粘貼、束縛、緊身衣等方式實現(xiàn)，主機可固定于座椅旁或下方，并將采集模塊 的連接線纜與主機連接好，可以從兩種連接方式中選擇一種合適的方式。
[0124] 開始進行人體運動和姿態(tài)監(jiān)測前，人體應(yīng)保持一個特定姿態(tài)，測量人體及人體所 在平臺上固定的其他采集模塊的中心與〇號采集模塊的相對位置測量，記錄后輸入計算機。 比如，對飛機阻攔降落時的人體運動和姿態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測開始前飛行員應(yīng)坐到駕駛艙內(nèi)，保持 一個特定的初始駕駛姿勢，測量各采集模塊中心相對于〇號采集模塊中心的位置偏離數(shù)據(jù)， 記錄后輸入計算機。
[0125] 開啟主機和各采集模塊的開關(guān)，按下主機的采集啟動按鈕，各采集模塊在主機控 制下開始采集數(shù)據(jù)，直至采集完畢關(guān)機。比如，對飛機阻攔降落時的人體運動和姿態(tài)監(jiān)測， 飛行員駕駛飛機起飛，空中飛行后進行阻攔降落，降落后飛行員回到特定的初始駕駛姿勢， 下機后按下采集停止按鈕，關(guān)閉采集模塊開關(guān)，取下采集模塊和主機。將各采集模塊與主機 相連，下載各采集模塊中記錄的數(shù)據(jù)。
[0126] 人體運動與姿態(tài)監(jiān)測解算軟件可采用Windows運行環(huán)境，采用C語言編程，解算算 法和流程按照圖6的所示流程。
[0127] 使用計算機上的人體運動與姿態(tài)監(jiān)測解算軟件，針對獲得的監(jiān)測原始數(shù)據(jù)，計算 得到所需分析的人體動作的運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)。比如，阻攔降落時間段內(nèi)飛行員人體運動和 姿態(tài)原始數(shù)據(jù)的解算，可將飛機阻攔降落后飛機和人體靜止時刻作為計算的初始時刻，建 立與初始時刻點對應(yīng)的地面坐標(biāo)系和平臺坐標(biāo)系，沿時間反方向進行積分迭代計算，獲得 在飛機阻攔降落過程中的飛機平臺運動和姿態(tài)變化數(shù)據(jù)、人體各部位運動和姿態(tài)變化數(shù) 據(jù)，以及他們相互之間的運動和姿態(tài)變化數(shù)據(jù)，從而分析阻攔降落時的人體動力學(xué)響應(yīng)。
[0128] 平臺坐標(biāo)系與采集模塊坐標(biāo)系角度轉(zhuǎn)換關(guān)系通過圖7表示，其中OXpYpZp為將平臺 坐標(biāo)系的中心位置移動而方向不變得到的坐標(biāo)系，OXcYcZc為將采集模塊坐標(biāo)系中心移動 而方向不變得到的坐標(biāo)系，OXpYpZp坐標(biāo)系與OXcYcZc坐標(biāo)系的角度關(guān)系等同于平臺坐標(biāo)系 與采集模塊坐標(biāo)系的關(guān)系，也、0、Y分別為采集模塊坐標(biāo)系相對于平臺坐標(biāo)系的航向角、俯 仰角和傾斜角。
[0129] 該實施方案是本發(fā)明的一個實施特例，在運用本發(fā)明進行人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝 置設(shè)計、進行人體運動與姿態(tài)監(jiān)測解算軟件編制時，可以按照功能和技術(shù)指標(biāo)，變換其具體 結(jié)構(gòu)，改變部件、器件、材料的型號及生產(chǎn)廠家，選擇合適的操作系統(tǒng)環(huán)境和編程語言。
【主權(quán)項】
1.人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置和方法，是以慣性測量器件、計算機和數(shù)控器件為核心，以 慣性空間變換和動力學(xué)算法為關(guān)鍵點，獲取人體運動和姿態(tài)信息的裝置和方法，其特征在 于:監(jiān)測裝置由一個主機、多個采集模塊和一臺計算機構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理方法包括人體運動和 姿態(tài)數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)解算處理方法； 主機由數(shù)控器件、電池、電源穩(wěn)壓器件、按鈕、指示燈和接口構(gòu)成;數(shù)控器件控制主機各 部分的工作，電池為主機和采集模塊供電，電源穩(wěn)壓器件保持主機和采集模塊工作電壓的 穩(wěn)定，按鈕提供主機功能選擇，指示燈顯示主機工作狀態(tài);一個接口包含供電線路和同步信 號線路，在監(jiān)測時連接主機與各采集模塊，用于主機為各采集模塊供電和提供采集同步信 號；另一個接用于連接主機與計算機，在裝置用于人體運動和姿態(tài)監(jiān)測前，由計算機完成對 主機同步采樣率的設(shè)置;兩個接口也可以合并為一個，在與計算機連接和與采集模塊連接 時采用不同的連接線纜，分別實現(xiàn)兩個接口的功能； 采集模塊有多個，各采集模塊的構(gòu)成完全相同，包括數(shù)控器件、MEMS慣性測量器件、非 易失性存儲器件、按鈕、指示燈和接口；數(shù)控器件控制采集模塊各部分的工作，MEMS慣性測 量器件獲取采集模塊所在位置的加速度、角速度和地磁數(shù)據(jù)，非易失性存儲器件在數(shù)控器 件的控制下按照時間順序儲存MEMS慣性測量器件獲取的加速度、角速度、地磁數(shù)據(jù)和時間 標(biāo)志;一個外接口包含供電線路和同步信號線路，用于各采集模塊與主機的連接，當(dāng)采集模 塊用于人體運動和姿態(tài)監(jiān)測時，各采集模塊通過該接口接受主機的供電和采集同步信號； 另一個接口用于采集模塊與計算機，在裝置用于人體運動和姿態(tài)監(jiān)測前，由計算機設(shè)置采 集模塊的編號和時間標(biāo)志間隔，在裝置用于人體運動和姿態(tài)監(jiān)測后，由計算機讀取各采集 模塊獲取的按照時間標(biāo)志順序儲存的人體加速度、角速度、地磁數(shù)據(jù)和時間標(biāo)志;兩個接口 也可以合并為一個，在與計算機連接和與主機連接時采用不同的連接線纜，分別實現(xiàn)兩個 接口的功能； 計算機作為人體運動與姿態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析設(shè)備，通過計算所提供的接口，分別與主 機和采集模塊連接，對主機和采集模塊進行工作參數(shù)設(shè)置，讀取采集模塊采集獲得的反映 人體運動和姿態(tài)的加速度、角速度和地磁數(shù)據(jù)，按照人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù) 解算處理方法，計算獲得人體在一個特定時間段的加速度、速度、位移和角速度、角度數(shù)據(jù)； 人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)采集方法包括如下步驟:根據(jù)人體運動和姿態(tài)監(jiān)測需要，確定要 監(jiān)測的人體部位和監(jiān)測點；依據(jù)人體部位監(jiān)測點數(shù)量確定使用的采集模塊的數(shù)量n;根據(jù)采 集需要設(shè)定主機的同步采樣率，設(shè)定采集模塊編號和時間標(biāo)志間隔，采樣模塊的編號設(shè)置 范圍為〇~n;將0號采集模塊固定于人體所在運動平臺上，若人體所在平臺為地面或建筑物 面，可以將人體靠近地面或建筑物面的一個采集模塊編為〇號采集模塊;其他編號采集模塊 分別固定于人體各部位的監(jiān)測點，主機固定于人體腰部或固定于不影響人體作業(yè)動作的人 體所在平臺上;將各采集模塊的接口與主機接口通過電纜線連接;使人體所在運動平臺相 對于地面處于靜止?fàn)顟B(tài)，人體保持特定初始姿態(tài)，測量安裝好的各采集模塊中心相對于0號 采集模塊中心的位置數(shù)據(jù)，并依次將采集模塊標(biāo)號、人體部位、相對于〇號模塊的中心的位 置偏移數(shù)據(jù)輸入計算機;按下主機和采集模塊的相關(guān)按鈕，啟動主機和各采集模塊工作，開 始采集各模塊所在位置的加速度、角速度、地磁數(shù)據(jù)，并按照時間標(biāo)志順序，一并存儲在各 采集模塊的非易失性存儲器件中，形成采集數(shù)據(jù)序列;采集過程中，人體在平臺上開始進行 各種操作動作，直至完成全部作業(yè)過程;人體在進行每個需要分析的作業(yè)動作前后，應(yīng)有一 段時間使人體姿態(tài)恢復(fù)到開始時的特定初始姿勢，并保持人體所在平臺相對于地面不做加 速運動;整個作業(yè)過程結(jié)束后，按下主機和采集模塊的相關(guān)按鈕，停止主機和各采集模塊工 作，取下各采集模塊和主機，通過接口連接各采集模塊和計算機，由計算機讀取各采集模塊 的非易失性存儲器件中的代表人體運動和姿態(tài)的原始數(shù)據(jù)； 人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)解算處理方法包括如下步驟:確定需要解算的人體作業(yè)動作;從 讀取的各采集模塊的采集數(shù)據(jù)序列中，按照時間標(biāo)志，截取包含人體作業(yè)動作的時間間隔 內(nèi)的所有加速度、角速度和磁場數(shù)據(jù);對截取的數(shù)據(jù)進行異常數(shù)據(jù)修正;確定非加速運動判 定值PQ;確定數(shù)據(jù)解算初始時刻k;確定地面坐標(biāo)系和平臺坐標(biāo)系;計算k時刻地面坐標(biāo)系在 各采集模塊坐標(biāo)系各軸的投影;計算k時刻由地面坐標(biāo)系向采集模塊坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換 的轉(zhuǎn)換矩陣;計算k時刻由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣;計算由 采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣;計算k時刻各采集模塊中心相對 于平臺坐標(biāo)系的運動;計算各采集模塊中心相對于平臺坐標(biāo)系的運動;計算各采集模塊坐 標(biāo)系相對于平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)角。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置和方法，其特征在于:所述的數(shù)控器 件為單片機、DSP器件或FPGA器件。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置和方法，其特征在于:所述的MEMS慣 性測量器件為可以測量三個方向的加速度、三個方向的角速度和三個方向的地磁的九軸 MEMS慣性測量芯片，或分別由可以測量三個方向加速度的MEMS慣性測量芯片、可以測量三 個方向角速度的MEMS慣性測量芯片和可以測量三個方向地磁的芯片構(gòu)成;加速度、角速度、 地磁的三個測量軸采用同一個坐標(biāo)系，稱為采集模塊坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系是滿足右手法則的 正交坐標(biāo)系，其原點為采集模塊的中心，各軸為采集模塊慣性測量器件的測量軸，該坐標(biāo)系 標(biāo)示于各采集模塊的外殼上。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置和方法，其特征在于:所述的同步信 號線路可以為一根傳輸脈沖信號的線路，通過脈沖前沿或后沿為各采集模塊提供采集同 步;也可以為兩根線路構(gòu)成的CAN總線或485總線，通過傳送特定數(shù)據(jù)包為各采集模塊提供 米集同步彳目號。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置和方法，其特征在于:所述的采集數(shù) 據(jù)序列包括按照設(shè)定的時間標(biāo)志間隔記錄的時間標(biāo)志數(shù)據(jù)和采集模塊的加速度、角速度、 地磁數(shù)據(jù);時間標(biāo)志數(shù)據(jù)按照時間順序編碼，當(dāng)個別數(shù)據(jù)段出現(xiàn)存儲錯誤時，提供分段數(shù)據(jù) 對準(zhǔn);加速度、角速度、地磁數(shù)據(jù)按照時間順序存儲在各時間標(biāo)志之間。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置和方法，以及權(quán)利要求3所述的采集 模塊坐標(biāo)系，其特征在于:所述的采集模塊坐標(biāo)系在人體運動過程中隨該采集模塊固定處 運動，采集模塊坐標(biāo)系的位置和方向的變化代表了該模塊所處位置的運動和姿態(tài)的變化； 第i號采集模塊在j時刻的采集模塊坐標(biāo)系表示為〇( i，j)X(i，j )Y( i，j)Z( i，j)，0( i，j)為第 i號采集模塊中心在j時刻的位置點，為坐標(biāo)系的原點，〇(i，j)X(i，j)、0(i，j)Y(i，j)、0(i， j)Z(i，j)為第i號采集模塊在j時刻的三個慣性測量軸的方向，與標(biāo)示于采集模塊上的標(biāo)識 方向一致。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置和方法，其特征在于:采集模塊中存 儲的人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)包括:&(1，」\、 &(1，」\、&(1，」)2，分別為第1個采集模塊在」時刻 的相對于慣性坐標(biāo)系的加速度^在該采集模塊坐標(biāo)系〇(i，j )x(i，j)Y(i，j)Z(i，j)的0( i， 」)父(1，]_)、0(1，]_)￥(1，]_)、0(1，]_)2(1，]_)方向上的分量；《(1，]_\、《(1，]_\、《(1，]_) 2，分別 為第i個采集模塊在j時刻的相對于慣性坐標(biāo)系的角速度g在該采集模塊坐標(biāo)系〇(i，j)X (1]_)￥(1，]_)2(1，]_)的0(1，]_)父（1，]_)、0(1，]_)￥(1，]_)、0(1，]_)2(1，]_)方向上的分量;111(1，」 )x、m( i，j )y、m( i，j)z，分別為第i個采集模塊在j時刻的磁場^在該采集模塊坐標(biāo)系0(i，j )X (1]_)￥(1，]_)2(1，]_)的0(1，]_)父(1，]_)、0(1，]_)￥(1，]_)、0(1，]_)2(1，]_)方向上的分量。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體運動與姿態(tài)監(jiān)測裝置和方法，其特征在于:人體運動和姿 態(tài)數(shù)據(jù)解算處理的解算算法如下： (a) 截取數(shù)據(jù)段:根據(jù)需要解算的人體作業(yè)動作，確定人體運動與姿態(tài)數(shù)據(jù)的起始時刻 h和終止時刻k2,通過時間標(biāo)志對比，確認(rèn)該時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄完整，截取各采集模塊處 于kl~k2時刻之間的采集數(shù)據(jù)序列，得到該段時間內(nèi)的加速度、角速度和磁場強度數(shù)據(jù)： a(i，j)x、a(i，j)y、a(i，j)z (Xi<n，ki< j<k2 w (i，j)x、w (i，j)y、o (i，j)z (Xi<n，ki<j<k2 m(i，j)x、m(i，j)y、m(i，j)z (Xi<n，ki< j<k2; (b) 對截取的數(shù)據(jù)進行異常數(shù)據(jù)修正： 對截取的數(shù)據(jù)進行平滑濾波，平滑濾波的階數(shù)根據(jù)人體和人體所在平臺的加速度變化 確定，加速度變化越劇烈，平滑濾波階數(shù)越低，反之就越高； 平滑濾波后的數(shù)據(jù)為： aP(i，j)x、aP(i，j)y、aP(i，j) z (Xi<n，ki< j<k2 wP(i，j)x、wp(i，j)y、《p(i，j) z (Xi<n，ki<j<k2 mP(i，j)x、mP(i，j)y、m P(i，j)z (Xi<n，ki< j<k2; 將i，j對應(yīng)的截取的數(shù)據(jù)與濾波后的數(shù)據(jù)進行比較，如果兩者差的絕對值大于某門限 值，則剔除該截取的數(shù)據(jù)值，用該時刻前后的插值替換之； 門限值的大小根據(jù)被監(jiān)測的人體所在平臺和人體的加速度變化確定，加速度變化越劇 烈，門限值越大，反之就越小； (c) 確定非加速運動判定值po: 用PQ值判定人體及人體所在平臺的運動情況，PQ越小說明人體及人體所在平臺的加速 度越小，相對于地面更接近于勻速運動，人體及人體所在平臺的勻速運動的時刻即為人體 運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)解算處理的初始時刻;P0根據(jù)所監(jiān)測對象的運動特點確定，為了獲得較高 的解算精度，應(yīng)盡可能取較小的P0值，一般可取P0為0.1，在解算過程中再逐步調(diào)整； (d) 確定數(shù)據(jù)解算初始時刻k: 按照公式（1)計算人體所在平臺和人體各部位的加速度幅值與重力加速度的偏離比p (i，j);公式(1)中的g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎担? 在(ki彡j彡k2)范圍內(nèi)，尋找對所有的i，均滿足P (i，k)彡P(guān)0的時刻k，則該時刻k即可作 為初始參考時刻；如果不存在這樣的時刻k，則需減小、，增大k2,再次尋找相應(yīng)的時刻k;如 果通過調(diào)整h、k2的值仍無法找到符合條件的k，則適當(dāng)增大po值，直至找到符合條件的k; (e) 確定地面坐標(biāo)系和平臺坐標(biāo)系： 地面坐標(biāo)系定義為0NEG，0是k時刻0號采集模塊中心所處的位置點，作為地面坐標(biāo)系的 原點;0G由原點0發(fā)出，指向為重力方向；0E由原點出發(fā)，指向垂直于重力和地磁指向構(gòu)成的 平面;ON垂直于0E和0G構(gòu)成的平面，符合坐標(biāo)系的右手法則;地面參考坐標(biāo)系0NEG在數(shù)秒至 數(shù)十秒的時間段內(nèi)可視為慣性坐標(biāo)系，k時刻各采集模塊所處的位置、重力和地磁方向決定 了地面坐標(biāo)系的位置和方向，在人體運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)解算處理過程中，地面坐標(biāo)系保持不 變； 平臺坐標(biāo)系定義為0(0，1〇乂(0，1〇￥(0，1〇2(0，1〇,0(0，1〇為袖寸刻0號采集模塊的中心，0 (0，1〇乂(0，1〇、0(0，1〇￥(0，1〇、0(0，1〇2(0，1〇為0號采集模塊在1^時刻的三個測量軸向，構(gòu)成 符合右手法則的坐標(biāo)系;平臺坐標(biāo)系就是k時刻的0號采集模塊的采集模塊坐標(biāo)系，平臺坐 標(biāo)系確定后保持不變，平臺坐標(biāo)系相對于地面坐標(biāo)系保持固定的位置和姿態(tài)； (f) 計算k時刻地面坐標(biāo)系在各采集模塊坐標(biāo)系各軸的投影： 按照公式（2)、（3)、（4)計算地面坐標(biāo)系0NEG的0E軸矢量在i號采集模塊的0( i，k)X( i， k)、0(i，k)Y(i，k)、0(i，k)Z(i，k)軸的投影；公式（2)、（3)、（4)中，(^(1，1^、(^(1，1^、(^(1，1〇2為地面坐標(biāo)系0呢6的(^軸矢量在 i 號采集模塊的 0(丨，1〇乂(1，1〇、0(1，1〇￥(1，1〇、0(1，1〇2(1，1〇軸的投影； 按照公式(5)、（6)、（7)對(^(1，1^、(^(1，1^、(^(1，1〇2進行單位化；公式(5)、（6)、（7)中，(^(1，1〇\、(^(1，1〇^(^(1，1〇2為地面坐標(biāo)系0呢6的(^軸單位矢量 在 i 號采集模塊的 0(1，1〇乂(1，1〇、0(1，1〇￥(1，1〇、0(1，1〇2(1，1〇軸的投影； 按照公式(8)、（9)、（10)計算地面坐標(biāo)系0呢6的(^單位矢量在1號采集模塊的0(1，1〇父 (i，k)、0(i，k)Y(i，k)、0(i，k)Z(i，k)軸的投影；公式(8)、（9)、（10)中，(^(1，1〇\、(^(1，1^、(^(1，1〇2為地面坐標(biāo)系0呢6的(^單位矢量 在 i 號采集模塊的 0(1，1〇乂(1，1〇、0(1，1〇￥(1，1〇、0(1，1〇2(1，1〇軸的投影； (g)計算在k時刻由地面坐標(biāo)系向各采集模塊坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣： 由公式（11)、（12)、（13)三個矩陣方程進行計算，可獲得在k時刻由地面坐標(biāo)系向采集 模塊坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣S(i，k)，S(i，k)構(gòu)成如公式(14)所示；由S(i，k)轉(zhuǎn)置獲得在k時刻由采集模塊坐標(biāo)系向地面坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣 T(i，k)如公式(15)所示；T(0，k)即為由平臺坐標(biāo)系向地面坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣； (h) 計算k時刻由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣： 由公式（16)計算k時刻由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣TP (i，k);公式(16)中，了⑴汰廣為了⑴上丨的轉(zhuǎn)置； (i) 計算其他時刻由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行坐標(biāo)變換的轉(zhuǎn)換矩陣： 如果k位于所分析的時間段前部，按照公式（17)依次以時間間隔A t順時間方向進行數(shù) 字積分的迭代運算，可以獲得k時刻之后各時刻由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行坐標(biāo) 變換的轉(zhuǎn)換矩陣；如果k位于所分析的時間段后部，按照公式（18)依次以時間間隔At逆時間方向進行數(shù) 字積分的迭代運算，可以獲得k時刻之前各時刻由采集模塊坐標(biāo)系向平臺坐標(biāo)系進行坐標(biāo) 變換的轉(zhuǎn)換矩陣；(j) 計算k時刻各采集模塊中心相對于平臺坐標(biāo)系的運動： k時刻0號采集模塊中心是平臺坐標(biāo)系的原點，因此，k時刻0號采集模塊中心在平臺坐 標(biāo)系各軸的投影均為零，由公式(19)獲得；公式（19)中，1(0，1〇1?、1(0，1〇1^、1(0，1〇1^為1^時刻0號采集模塊中心在平臺坐標(biāo)系0(0， k)X(0，k)、0(0，k)Y(0，k)、0(0，k)Z(0，k)三軸的投影； k時刻其他各采集模塊中心的位置，由采集模塊安裝時采集模塊中心相對于0號采集模 塊中心，即平臺坐標(biāo)系原點的相互位置決定，由公式(20)獲得；公式(20)中，1(1，1〇1?、1(1，1〇1^、1(1，1〇1)2為砂寸刻編號大于0的1號采集模塊中心在平 臺坐標(biāo)系 0(0，1〇乂(0，1〇、0(0，1〇￥(0，1〇、0(0，1〇2(0，1〇三軸的投影^1()、71()、2 1()為編號大于0 的i號采集模塊中心在平臺坐標(biāo)系0(0，1〇乂(0，1〇、0(0，1〇￥(0，1〇、0(0，1〇2(0，1〇三軸的投 影，此數(shù)據(jù)來自采集模塊安裝固定時的測量結(jié)果記錄； k時刻人體與人體所在平臺保持相對位置不變，各采集模塊具有相同的運動速度由公 式(21)獲得；公式(21)中，v(i，k)px、v(i，1〇1^、￥(;[，1〇1)2為1^時刻;[號采集模塊運動速度在平臺坐標(biāo)系 0(0，1〇父(0，1〇、0(0，1〇￥(0，1〇、0(0，1〇2(0，1〇三軸的投影，￥_、￥_、￥_為三軸投影的數(shù)值， 由人體所在平臺提供，當(dāng)人體所在平臺為地面及其上的建筑物時，VpxQ、VpyQ、VpzQ的值均為〇 ; (k) 計算其他時刻各采集模塊中心相對于平臺坐標(biāo)系的運動： 按照公式(22)，將各采集模塊的加速度變換到平臺坐標(biāo)系；公式(22)中，a (i，j)px、a(i，j)py、a (i，j)pz為第i個采集模塊在j時刻的加速度在平臺坐 標(biāo)系 0(0，1〇父(0，1〇、0(0，1〇￥(0，1〇、0(0，1〇2(0，1〇三軸的投影； 如果k位于所分析的時間段前部，按照公式（23)、（24)，依次以時間間隔At順時間方 向，進行數(shù)字積分的迭代運算；如果k位于所分析的時間段后部，按照公式（25)、（26)，依次以時間間隔At逆時間方 向，進行數(shù)字積分的迭代運算；(l) 計算各采集模塊坐標(biāo)系相對于平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)角： 如果k位于所分析的時間段前部，由公式(27)、（28)、（29)計算各采集模塊坐標(biāo)系相對 于平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)角；如果k位于所分析的時間段后部，由公式(30)、（31)、（32)計算各采集模塊坐標(biāo)系相對 于平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)角；公式（27)、（28)、（29)、（30)、（31)、（32)中紳（1」）、9(1」）、7(1」）分別為1號采集模 塊在j時刻的采集模塊坐標(biāo)系相對于平臺坐標(biāo)系的航向角、俯仰角和傾斜角； 由這些姿態(tài)角還可以計算獲得在j時刻任意兩個采集模塊的采集模塊坐標(biāo)系之間的航 向角、俯仰角和傾斜角。
【文檔編號】G01C21/08GK106052675SQ201610357246
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】李鳴皋, 徐建中, 單超
【申請人】中國人民解放軍海軍總醫(yī)院