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，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。其機動性差，擴 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)備對人體運動的S維加速度和航向信息進行捕 捉獲取，實現(xiàn)對人體位置的推算。
[0005] 并且，本發(fā)明的一個主要特征是采用多個節(jié)點方式對人體的姿態(tài)進行重構(gòu)，并可 采用姿態(tài)信息實現(xiàn)人體位置的推算?？蒞在實現(xiàn)定位的同時，也實現(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實現(xiàn)幾乎零代價的室內(nèi)定位。 該種特性，在一些特殊場合，如醫(yī)療監(jiān)護、消防救援作業(yè)等也有著其獨特的意義和利用價 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)備代價的情況下，實現(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節(jié)點，每個節(jié)點包括=軸加速計傳感器、=軸巧 螺儀計傳感器W及一個=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W實現(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W下的骨骼進行一對一標(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，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；
[0012] 步驟=、設(shè)備初始化后，人便可W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)器實時傳送人的虛擬位置和運動狀態(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下的骨骼進行一對一的慣性測量單元節(jié)點標(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（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S 7 +X. ^，則人體的航向角矢 量實際上為其的投影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。
[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，是實現(xiàn)人體位置估計的關(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推算任意時刻，沿導(dǎo)航坐標(biāo)系的位移坐標(biāo)Pi也。Piy):
[003引整個步驟過程中，慣性測量單元設(shè)備通過無線信號和主節(jié)點進行通訊，將每個采 樣時刻的慣性數(shù)據(jù)反饋到主節(jié)點，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)點上將進行室內(nèi)定位的核屯、算法和數(shù)據(jù)處理，根據(jù)接收到的實時數(shù)據(jù)，對 每個時刻的人體姿態(tài)矩陣進行更新，獲取人體姿態(tài)的同時，推算出最新的人體位移，并采用 航位推算法，對人體的航跡進行迭代更新，實現(xiàn)人體的室內(nèi)定位。
【附圖說明】
[0040] 圖1實現(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平面投影示意圖；
[0046] 圖7實驗樓