道環(huán)境平面圖。
【具體實施方式】
[0047] 下面本例通過一組真實的裝置實驗來闡述具體操作步驟，W及裝置在應(yīng)用中的實 際效果。實驗場地的環(huán)境為如圖7所示的樓道環(huán)境，且進行的實驗室沿著樓道行走進行一 次上下樓的實驗。
[0048] 步驟一、受監(jiān)測定位的個人需綁定穿戴本發(fā)明提供的設(shè)備，慣性測量單元模塊的 多個節(jié)點對人體腰部W下的骨骼進行一對一標(biāo)定；綁定方法如圖1，設(shè)備核屯、單元包括慣 性測量單元模塊、數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等，其中最重要的是慣性測量單元模塊，慣 性測量單元設(shè)備內(nèi)部包括=軸的加速度計、=軸巧螺儀計和=軸磁阻傳感器。
[0049] 步驟二、穿戴好設(shè)備后，啟動設(shè)備；設(shè)備需要初始化標(biāo)定人的初始位置、人的初始 姿態(tài)W及朝向；此時，人應(yīng)該保持立正的姿態(tài)；初始航向的判斷采用初始航向角估計算法。
[0050] 步驟=、設(shè)備初始化后，人便可W開始進行樓道行走活動；活動過程中，設(shè)備將處 理采樣的人體運動數(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；在算法執(zhí)行過程中，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 推算法等。
[0化1] 步驟四、向服務(wù)器實時傳送人的虛擬位置和運動狀態(tài)。
[0化2] 步驟二中提到的初始航向判斷方法，如圖2所示，設(shè)備節(jié)點（載體）Y軸朝向標(biāo)識 人體的朝向，但實際上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)點的 Y軸朝向在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的方向矢量為單位矢量^ =X? ? +J? 7 +-T? <?，則人體的航向角矢 量實際上為其的投影、=x-r+y-7。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；
[0053]
[0060] 步驟=中提到的人體姿態(tài)更新算法，如圖3,其解算方程如下：
[0061]
[0062] 步驟=中提到推算人體位移的方式如下：
[0063] 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：
[0064]
[0065] 則人體的一個步態(tài)周期的位移即兩腳著地時兩腳跟之間的矢量關(guān)系，如圖5。
[0066] 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。
[0067] 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邁步周期的完成，W 便結(jié)算邁步周期產(chǎn)生的位移。
[0068] 步驟=種提到的航位推算法，是實現(xiàn)人體位置估計的關(guān)鍵，如圖4,其原理如下：
[0069] 假設(shè)已知初始位置P。(P。,，P。,)，每次采樣后的位移5，和航向角0i(相對導(dǎo)航坐標(biāo) 系X軸的夾角），則可W推算任意時刻，沿導(dǎo)航坐標(biāo)系的位移坐標(biāo)Pi (Pb, Piy):
[0072] 最終，我們獲取的實驗室內(nèi)定位結(jié)果如圖6所示，其起始點位置偏差是整個行走 路程的1. 5~2. 5%，具有較高的定位精度。
【主權(quán)項】
1. 一種基于動作捕捉的室內(nèi)定位裝置，其特征在于設(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節(jié)點，每個節(jié)點包括三軸加速計傳 感器、三軸陀螺儀計傳感器以及一個三軸磁阻傳感器，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)的處理以實現(xiàn) 人體姿態(tài)更新和室內(nèi)定位。2. -種如權(quán)利要求1所述室內(nèi)定位裝置的定位方法：其特征在于： 步驟一、受監(jiān)測定位的個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 節(jié)點對人體腰部以下的骨骼進行一對一標(biāo)定； 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)以及航向；此時，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算法； 步驟三、設(shè)備初始化后，人便可以開始進行日常室內(nèi)活動；活動過程中，設(shè)備對人體行 為動作進行捕捉，并采樣的人體運動數(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，將涉及人體姿態(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； 步驟四、向服務(wù)器實時傳送人的虛擬位置和運動狀態(tài)。3. 如權(quán)利要求2所述定位方法，其特征在于所述的人體行為動作捕捉的方式，包括獲 取人體骨骼運動的加速度信息和角速度信息。4. 如權(quán)利要求2所述定位方法，其特征在于所述的更新重構(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)。5. 如權(quán)利要求2所述定位方法，其特征在于所述的并根據(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。6. 如權(quán)利要求2-5任一項所述定位方法，其特征在于對人體腰部以下的骨骼進行一對 一的慣性測量單元節(jié)點標(biāo)定，包括對髖骨、左右大腿、左右小腿以及左右腳掌的標(biāo)定。7. 如權(quán)利要求6所述定位方法，其特征在于所述的初始航向角估計算法具體為：裝置 標(biāo)定在左右腳掌上的慣性測量單元模塊節(jié)點坐標(biāo)系Y軸朝向標(biāo)識人體的朝向，假設(shè)慣性測 量單元模塊節(jié)點的Y軸朝向在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的方向矢量為單位矢量/7 = 1J+Jn/?， 則人體的航向角矢量實際上為其的投影弋+3-7，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：
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于動作捕捉的室內(nèi)定位裝置及其方法。其中，動作捕捉的所依賴的設(shè)備主要是若干個慣性測量單元，該慣性測量單元包括三軸加速度計、三軸陀螺儀計和磁阻傳感器。利用慣性測量單元對人體骨骼的標(biāo)定，重建人體的骨骼矢量模型，實現(xiàn)人體的動作捕捉，并進一步推算人體的每一步位移，實現(xiàn)人的室內(nèi)定位。本發(fā)明提出的基于動作捕捉的室內(nèi)定位裝置適用于以及無基站建設(shè)的室內(nèi)定位環(huán)境、多傳感器的醫(yī)療監(jiān)護、消防救援應(yīng)用中，其定位精度遠勝于采用加速度積分解算的定位精度，并同時可以監(jiān)測人體的行為、并可擴展測量人體的其它指標(biāo)，對于需要無基站建設(shè)的室內(nèi)定位環(huán)境、動作行為監(jiān)測領(lǐng)域有重大意義。
【IPC分類】G01C21/20, G01C21/16
【公開號】CN104964686
【申請?zhí)枴緾N201510253008
【發(fā)明人】楊再躍, 郭天賜, 胡秋揚, 孫優(yōu)賢
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年5月15日