慣性式人體運動傳感器的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、人體運動傳感器,是運動捕捉的最關(guān)鍵設(shè)備之一,近年來得到了很多專家和研究學(xué)者的高度關(guān)注。就目前來看,人體運動傳感器從工作原理上主要分為五種:機械電動式、電磁式、聲學(xué)式、光學(xué)式和慣性式,它們在數(shù)據(jù)捕捉精度、可捕捉運動對象的數(shù)目、實時性、捕捉環(huán)境場地、使用方便程度和制造成本上均存在各自的優(yōu)劣。而隨著MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展,由MEMS器件組成的慣性式人體運動傳感器的優(yōu)點更加凸顯。因此,本文對人體運動捕捉中的慣性式人體運動傳感器的關(guān)鍵技

2、術(shù)進行了研究。
　　首先,針對目前主流的慣性式人體運動捕捉系統(tǒng),研究了其結(jié)構(gòu)組成,對運動捕捉系統(tǒng)的終端節(jié)點、路由節(jié)點、主機節(jié)點及基于Zigbee協(xié)議棧的WBAN(無線軀域網(wǎng))進行了詳細分析,并搭建了一套用于運動捕捉的慣性式人體運動傳感器硬件平臺。該平臺采用MEMS三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計所組成的慣性測量單元來測量傳感器的運動參數(shù),并通過WBAN進行數(shù)據(jù)傳輸,這是本文研究工作的基礎(chǔ)。
　　然后,為了得到準確的慣性器

3、件原始輸出信號,介紹了MEMS加速度計、陀螺儀、磁力計的工作原理,并針對加速度計原始數(shù)據(jù)中含脈沖噪聲干擾的特點,對其原始數(shù)據(jù)進行了中值濾波處理,針對陀螺儀原始數(shù)據(jù)中含高頻噪聲的特點,對其原始數(shù)據(jù)進行了均值濾波處理,針對磁力計原始數(shù)據(jù)中含隨機噪聲比較多的問題,對其原始數(shù)據(jù)進行了Butterworth濾波處理。實驗表明,對傳感器數(shù)據(jù)進行預(yù)處理達到了預(yù)想的去噪效果,為后續(xù)進一步處理打好了基礎(chǔ)。
　　第三,為了提高MEMS傳感器數(shù)據(jù)精度和

4、可靠程度,需要對傳感器誤差進行標定和校準。設(shè)計了MEMS加速度計、陀螺儀和磁力計的誤差模型,并針對加速度計的靜態(tài)輸出特性,采用靜態(tài)六位置法對其進行了標定,確定其誤差模型系數(shù)后又對加速度計進行了校準。針對陀螺儀的動態(tài)輸出特性,采用動態(tài)多速率的方法對陀螺儀各敏感軸進行一一標定,確定其誤差模型參數(shù)后又對陀螺儀進行了校準。針對磁力計的數(shù)據(jù)輸出特點,采用任意轉(zhuǎn)動法對磁力計進行標定,確定其誤差模型參數(shù)后又對其進行了校準。實驗表明,標定和校準過程提高

5、了各慣性器件的輸出精度。
　　第四,為了采集人體在三維空間中的運動軌跡,需要對獲得的傳感器數(shù)據(jù)進行解算,以得到其姿態(tài)角數(shù)據(jù)。姿態(tài)解算常用的濾波器有互補濾波器和卡爾曼濾波器,常用的解算方式有歐拉角法和四元數(shù)法,因此設(shè)計了四種姿態(tài)解算方法:基于互補濾波器的歐拉角姿態(tài)解算算法,基于互補濾波器的四元數(shù)姿態(tài)解算算法,基于卡爾曼濾波器的歐拉角姿態(tài)解算算法和基于卡爾曼濾波器的四元數(shù)姿態(tài)解算算法。實驗表明,基于卡爾曼濾波器的四元數(shù)姿態(tài)解算算法性能

6、最好。
　　最后,為了驗證姿態(tài)解算算法的精度,采用全站儀、姿態(tài)參考平臺和地質(zhì)羅盤儀搭建了一套姿態(tài)角度驗證系統(tǒng)。根據(jù)該系統(tǒng),對慣性式人體運動傳感器任意轉(zhuǎn)動情況、奇異點位置情況和磁場突變情況下的傳感器姿態(tài)解算結(jié)果進行了對比輸出,驗證了姿態(tài)解算算法的輸出精度。實驗結(jié)果表明,基于卡爾曼濾波的四元數(shù)姿態(tài)解算算法性能最好。此外,本文使用基于OpenGL的姿態(tài)測試系統(tǒng)對傳感器輸出數(shù)據(jù)進行了可視化處理,將實驗人員的手臂動作實時還原到電腦屏幕上,得