一種基于動作捕捉的室內(nèi)定位裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種采用慣性測量單元獲取人體的運(yùn)動信息來推算人體骨骼的空間 姿態(tài)的基于動作捕捉的室內(nèi)定位裝置及其方法，還能基于人體骨骼姿態(tài)推算人體步行位移 推算其空間位置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，在室內(nèi)環(huán)境下，人們對基于位置的服務(wù)（LocationBasedService)質(zhì)量 要求要越來越高。在工廠，我們可能需要隨時(shí)了解工人的位置和作業(yè)信息；在消防救援中， 消防人員希望自己可W迅速找到自己的位置和目的地點(diǎn)，迅速規(guī)劃一條救援路線。
[0003] 然而，在當(dāng)前的室內(nèi)定位技術(shù)仍然有著諸多不足。市場上的主流室內(nèi)定位系統(tǒng)產(chǎn) 品，基本上都依賴于輔助系統(tǒng)的構(gòu)建、基站的架設(shè)和復(fù)雜的系統(tǒng)部署維護(hù)。其機(jī)動性差，擴(kuò) 展能力弱，無法適應(yīng)一些特殊場合的需求。
[0004] 本發(fā)明設(shè)及的一種可穿戴的室內(nèi)定位設(shè)備及方法，不依賴外部設(shè)備的架設(shè)，只需 要自身攜帶穿戴系統(tǒng)，便可W在任意的室內(nèi)場景下實(shí)現(xiàn)人體的定位。該方法采用慣性測量 單元（InedialMeasurement化it,IMU)設(shè)備對人體運(yùn)動的S維加速度和航向信息進(jìn)行捕 捉獲取，實(shí)現(xiàn)對人體位置的推算。
[0005] 并且，本發(fā)明的一個(gè)主要特征是采用多個(gè)節(jié)點(diǎn)方式對人體的姿態(tài)進(jìn)行重構(gòu)，并可 采用姿態(tài)信息實(shí)現(xiàn)人體位置的推算?？蒞在實(shí)現(xiàn)定位的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了人體動作姿態(tài)的同 步?；蛘哒f，在某些人體姿態(tài)動作捕捉的應(yīng)用場合，我們可W實(shí)現(xiàn)幾乎零代價(jià)的室內(nèi)定位。 該種特性，在一些特殊場合，如醫(yī)療監(jiān)護(hù)、消防救援作業(yè)等也有著其獨(dú)特的意義和利用價(jià) 值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種在無基站建設(shè)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)人體定位的室內(nèi)定位裝置系 統(tǒng)，提供一種在人的行為動作姿態(tài)監(jiān)測過程中，無附加設(shè)備代價(jià)的情況下，實(shí)現(xiàn)人體同步定 位的裝置系統(tǒng)，具體為一種基于動作捕捉的室內(nèi)定位裝置及其方法。
[0007] 本發(fā)明通過W下技術(shù)實(shí)現(xiàn)：
[000引一種基于動作捕捉的室內(nèi)定位裝置設(shè)有慣性測量單元模塊、數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù) 處理模塊；所述慣性測量單元模塊具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括=軸加速計(jì)傳感器、=軸巧 螺儀計(jì)傳感器W及一個(gè)=軸磁阻傳感器，所述數(shù)據(jù)接收模塊包含無線通訊模塊，接收發(fā)送 自慣性測量單元模塊節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊則執(zhí)行對數(shù)據(jù)的處理W實(shí)現(xiàn)人體姿態(tài)更新 和室內(nèi)定位。
[0009] 所述室內(nèi)定位裝置的定位方法是：
[0010] 步驟一、受監(jiān)測定位的個(gè)人綁定穿戴所述的室內(nèi)定位裝置；慣性測量單元模塊的 多個(gè)節(jié)點(diǎn)對人體腰部W下的骨骼進(jìn)行一對一標(biāo)定；
[0011] 步驟二、啟動設(shè)備；設(shè)備初始化標(biāo)定人的初始位置、人的初始姿態(tài)W及航向；此 時(shí)，人保持立正的姿態(tài)；初始航向的判斷采用初始航向角估計(jì)算法；
[0012] 步驟=、設(shè)備初始化后，人便可W開始進(jìn)行日常室內(nèi)活動；活動過程中，設(shè)備對人 體行為動作進(jìn)行捕捉，并采樣的人體運(yùn)動數(shù)據(jù)信息，更新重構(gòu)人體姿態(tài)，并根據(jù)人體的姿態(tài) 信息，推算人體的位移；在數(shù)據(jù)處理過程中，將設(shè)及人體姿態(tài)更新算法、零速更新算法、步態(tài) 周期判斷算法、航位推算法；
[0013] 步驟四、向服務(wù)器實(shí)時(shí)傳送人的虛擬位置和運(yùn)動狀態(tài)。
[0014] 所述的人體行為動作捕捉的方式，包括獲取人體骨骼運(yùn)動的加速度信息和角速度 信息。
[0015] 所述的更新重構(gòu)人體姿態(tài)具體為；更新人體的骨骼空間姿態(tài)變換信息，并根據(jù)剛 體動力學(xué)的知識重建人體骨骼姿態(tài)。
[0016] 所述的并根據(jù)人體的姿態(tài)信息，推算人體的位移具體為；通過重建人體的骨骼姿 態(tài)，推算人體的兩腳的矢量關(guān)系，即人體的步長和朝向。
[0017] 對人體腰部W下的骨骼進(jìn)行一對一的慣性測量單元節(jié)點(diǎn)標(biāo)定，包括對髓骨、左右 大腿、左右小腿W及左右腳掌的標(biāo)定。
[001引步驟二中提到的初始航向判斷方法，如圖1所示，設(shè)備節(jié)點(diǎn)（載體）Y軸朝向標(biāo)識 人體的朝向，但實(shí)際上Y軸的朝向無法保證與水平面標(biāo)準(zhǔn)平行。因此，假設(shè)IMU設(shè)備節(jié)點(diǎn)的 Y軸朝向在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的方向矢量為單位矢量S 7 +X. ^，則人體的航向角矢 量實(shí)際上為其的投影Ap + 。若已知載體坐標(biāo)系相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為；
[0019]
[0026]步驟=中提到的人體姿態(tài)更新算法，如圖2,其解算方程如下：
[0027]
[002引步驟=中提到推算人體位移的方式如下：
[0029] 若人體姿態(tài)已經(jīng)構(gòu)建，則人體任意兩關(guān)節(jié)間的矢量關(guān)系便可確定：
[0030]
[0031] 則人體的一個(gè)步態(tài)周期的位移即兩腳著地時(shí)兩腳跟之間的矢量關(guān)系，如圖5。
[0032] 步驟S中提到的零速更新算法，其目的是用于校正慣性測量單元的累積誤差。
[0033] 步驟S中提到的步態(tài)周期判斷算法，其目的是用于判斷一個(gè)邁步周期的完成，W 便結(jié)算邁步周期產(chǎn)生的位移。
[0034] 步驟=種提到的航位推算法，是實(shí)現(xiàn)人體位置估計(jì)的關(guān)鍵，如圖3,其原理如下：
[0035] 假設(shè)已知初始位置p>。,，P。,），每次采樣后的位移馬，和航向角0i(相對導(dǎo)航坐標(biāo) 系X軸的夾角），則可W推算任意時(shí)刻，沿導(dǎo)航坐標(biāo)系的位移坐標(biāo)Pi也。Piy):
[003引整個(gè)步驟過程中，慣性測量單元設(shè)備通過無線信號和主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，將每個(gè)采 樣時(shí)刻的慣性數(shù)據(jù)反饋到主節(jié)點(diǎn)，其中，巧螺儀數(shù)據(jù)將W四元數(shù)的形式反饋。
[0039] 在主節(jié)點(diǎn)上將進(jìn)行室內(nèi)定位的核屯、算法和數(shù)據(jù)處理，根據(jù)接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對 每個(gè)時(shí)刻的人體姿態(tài)矩陣進(jìn)行更新，獲取人體姿態(tài)的同時(shí)，推算出最新的人體位移，并采用 航位推算法，對人體的航跡進(jìn)行迭代更新，實(shí)現(xiàn)人體的室內(nèi)定位。
【附圖說明】
[0040] 圖1實(shí)現(xiàn)基于動作捕捉的室內(nèi)定位技術(shù)慣性測量單元的核屯、標(biāo)定位置；
[0041] 圖2初始航向分析示意圖；
[0042] 圖3歐拉角下的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換分析示意圖；
[0043] 圖4航位推算原理分析示意圖；
[0044] 圖5人體骨骼邁步姿態(tài)的矢量抽象示意圖；
[0045] 圖6空間長路徑的航跡估計(jì)平面投影示意圖；
[0046] 圖7實(shí)驗(yàn)樓