CN106153077B - 一种用于m-imu人体运动捕获***的初始化校准方法 - Google Patents

Abstract

一种用于M‑IMU人体运动捕获***的初始化校准方法，本发明涉及人体运动捕获***的初始化校准方法。本发明为了解决现有技术存在操作复杂、精度低等问题。本发明步骤为：一：将人体肢体分为17个部分并编号，定义坐标系；二：将M‑IMU传感器固定在17个肢体上；三：设定三种校准姿势；四：对得到的数据做内蕴平均，得到在三种校准姿势下M‑IMU传感器的平均量测；五：获得躯干传感器坐标系与人体坐标系的相对旋转矩阵六：得到躯干人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵步骤七：计算得到步骤八：得到每个肢体的传感器坐标系相对于人体坐标系的相对旋转矩阵本发明应用于肢体姿态测量领域。

Description

一种用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法

技术领域

本发明涉及用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法。

背景技术

人体运动捕获广泛的应用于人机交互、虚拟现实、体育训练、医疗诊断与康复治疗、机器人控制、电影动画制作等领域。目前常用的人体运动捕获***有光学式、视频图像式、机械式、M-IMU、电磁式、红外式、声波式，但是这些***都有或多或少的缺点，不能完全覆盖上述应用领域。随着科技的发展和进步，微机电传感器(MEMS)在小型化、精度以及成本上有了重大的突破，基于MEMS的人体运动捕获***吸引了众多学者的研究。M-IMU传感器***由一个三轴加速度计、一个三轴陀螺仪以及一个三轴磁力计组成，这些传感器可以集成在一片很小的芯片里，从而减小了***的尺寸和重量，安装在肢体上也不会妨碍人体的正常运动。

基于M-IMU的人体运动捕获***需要在人体的每个肢体上安装一个IMU/M-IMU传感器，通过测量和估计肢体的姿态来获得人体的运动信息。然而，在通常情况下传感器的测量坐标系与相应的人体坐标系是不重合，这样的运动测量是没有意义的，必须通过适当的初始化校准程序才能将人体运动信息转换成关节角等生物学参数。初始化校准程序用来计算传感器坐标系和人体坐标系之间的相对旋转矩阵，进而把基于传感器坐标系下的测量转换成基于人体坐标系下的运动学信息，是M-IMU人体运动捕获***必不可少的过程。

现有技术中的初始化校准算法主要分为三类：

第一类初始化校准方法是通过精确地传感器安装，使传感器的测量坐标系与人体坐标系完全重合。由于人体的肢体表面是不规则的，这种校准方法的精度有限。另一方面，从用户使用角度来看，精确的传感器安装是一项复杂的任务，不适用于日常生活中。

第二类初始化校准方法是通过辅助工具来完成，该辅助工具通过人体骨骼标志点来测量人体关节的旋转轴，进而获得传感器坐标系相对于人体坐标系的旋转矩阵。这种方法需要一定的解剖学知识，过程繁琐。

第三类初始化校准方法是通过一系列的校准姿势和动作来完成。在校准姿势下人体坐标系的一个轴与重力平行，可以利用加速度计测量的重力加速度来获得。在校准动作下人体的关节绕另一个轴旋转，可以利用陀螺仪测量的角速度来获得。最后一个轴可以利用正交原理来获得。这种校准方法操作简单、方便，适用于日常生活，但是这种方法的校准精度取决于校准姿势和校准动作的标准程度。

综上所述，现有的初始化校准方法存在操作复杂、精度低等缺陷。

发明内容

本发明是为了解决现有技术存在操作复杂、精度低等问题，而提出的一种用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法。

一种用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法按以下步骤实现：

步骤一：根据人体运动学模型和人体解剖学将人体肢体分为17个部分并编号，并对人体的每个部分建立人体坐标系和相应的传感器坐标系同时建立参考坐标系其中i＝1,2,3,…,17；

步骤二：将M-IMU传感器固定在17个相应的肢体上；

步骤三：设定三种校准姿势，即校准姿势1、校准姿势2和校准姿势3；记录每种校准姿势下的传感器测量数据其中所述分别为17个肢体上传感器坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵数据，分别为n次测量得到的传感器坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵数据；

步骤四：对步骤三在每种校准姿势下得到的M-IMU传感器测量数据做内蕴平均，得到在三种校准姿势下M-IMU传感器的平均量测其中所述分别为的平均量测值；

步骤五：计算三种校准姿势下肩关节的相对旋转矩阵，结合步骤四得到的M-IMU传感器的平均量测值，利用手眼标定算法获得躯干传感器坐标系与人体坐标系的相对旋转矩阵

步骤六：根据步骤五得到的躯干传感器坐标系与人体坐标系的相对旋转矩阵得到躯干人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵

步骤七：在校准姿势1下，躯干、盆骨、头部、左上肢和左下肢的人体坐标系相互平行，即右上肢和右下肢的人体坐标系相互平行并且与躯干的人体坐标系相差一个相对旋转矩阵即其中所述为躯干、盆骨、头部、左上肢和左下肢肢体人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵，为右上肢和右下肢的人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵；

步骤八：根据步骤四得到的在校准姿势1下的传感器测量以及步骤七得到的人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵得到每个肢体的传感器坐标系相对于人体坐标系的相对旋转矩阵

发明效果：

(1)能够校准得到传感器坐标系和人体坐标系之间的相对旋转矩阵，减少安装位置不准确带来的误差，与不进行校准动作相比较，动作捕获的精度为其3倍。

(2)校准方式简单，耗时短，只需将传感器安装在身体各个肢解然后做三个标准姿势既能实现校准，避免了繁琐的动作校准，以及因为动作的不标准带来的误差。

(3)价格低廉，无需借助其他设备，利用IMU传感器即可实现校准。若采用光学等方法进行校准，需要增加额外的光学设备，大大提高校准成本。本方法可以大大降低校准成本。

(4)采用了内蕴平均算法对传感器采集到的数据进行了预处理，保障后续的校准算法的可靠性。

附图说明

图1人体肢体编号

图2参考坐标系和人体坐标系示意图；

图3校准姿势1模型图；

图4校准姿势2模型图；

图5校准姿势3模型图。

具体实施方式

具体实施方式一：一种用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法以下步骤：

铰接多刚体模型广泛地应用于人体运动分析和生物力学研究中，该模型将人体的每个肢体看成刚体，忽略人体关节的平移运动，只考虑其旋转运动。简化的人体模型由头、躯干、盆骨、上肢和下肢组成。

步骤一：根据人体运动学模型和人体解剖学将人体肢体分为17个部分并编号，如图1所示，并对人体的每个部分建立人体坐标系和相应的传感器坐标系同时建立参考坐标系其中i＝1,2,3,…,17；

步骤二：将M-IMU传感器固定在17个相应的肢体上；

步骤三：设定三种校准姿势，即校准姿势1、校准姿势2和校准姿势3；记录每种校准姿势下的传感器测量数据其中所述分别为17个肢体上传感器坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵数据，分别为n次测量得到的传感器坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵数据；

步骤四：对步骤三在每种校准姿势下得到的M-IMU传感器测量数据做内蕴平均，得到在三种校准姿势下M-IMU传感器的平均量测其中所述分别为的平均量测值；

步骤五：计算三种校准姿势下肩关节的相对旋转矩阵，结合步骤四得到的M-IMU传感器的平均测量，利用手眼标定算法获得躯干传感器坐标系与人体坐标系的相对旋转矩阵

步骤六：根据步骤五得到的躯干传感器坐标系与人体坐标系的相对旋转矩阵得到躯干人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵

步骤七：在校准姿势1下，躯干、盆骨、头部、左上肢和左下肢的人体坐标系相互平行，即右上肢和右下肢的人体坐标系相互平行并且与躯干的人体坐标系相差一个相对旋转矩阵即其中所述为躯干、盆骨、头部、左上肢和左下肢人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵，为右上肢和右下肢的人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵；

步骤八：根据步骤四得到的在校准姿势1下的传感器测量以及步骤七得到的人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵得到每个肢体的传感器坐标系相对于人体坐标系的相对旋转矩阵

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中对人体的每个部分建立人体坐标系和相应的传感器坐标系同时建立参考坐标系具体为：

根据人体运动学模型将人体分为17个部分并编号；结合人体的运动形态定义人体坐标系，在身体直立，双手平伸向身体两侧时，在躯干、盆骨、头部、左上肢、左下肢上建立人体坐标系，x轴指向身体前方，y轴指向身体左侧，z轴垂直向上；右上肢和右下肢的人体坐标系相互平行但是与左侧肢体的人体坐标系镜像对称，右上肢和右下肢的人体坐标系的x轴指向身体前方，y轴指向身体右侧，z轴垂直向下；参考坐标系为地球坐标系，X*轴指向地磁北，Y*轴指向东，Z*轴垂直向下。参考坐标系和人体坐标系示意图的示意图如图2所示。传感器坐标系由传感器内部陀螺仪的安装位置决定，M-IMU传感器在每一个部分任意安装。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤三中校准姿势1、校准姿势2和校准姿势3具体为：

校准姿势1为保持身体和下肢直立，双脚并拢，双臂自然下垂，掌心朝身体内侧；

校准姿势2为保持身体和下肢直立，双脚并拢，双手平伸向身体两侧，掌心向下；

校准姿势3为保持身体和下肢直立，双脚并拢，双臂向前伸展与肩平，掌心向下。

使用者依次执行三种校准姿势，每种校准姿势保持十秒钟，在每种姿势下传感器以10赫兹的采样频率采集数据。三种校准姿势如图3、图4和图5所示。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤四中对步骤三在每种校准姿势下得到的M-IMU传感器测量数据做内蕴平均，得到在三种校准姿势下M-IMU传感器的平均量测具体为：

使用者在执行校准姿势时不可避免地会发生晃动，利用内蕴平均算法对传感器测量进行平均。

以其中一个传感器的测量为例对n组测量做平均：

其中R为旋转矩阵，R_t为每次测量的的旋转矩阵。

该内蕴平均算法的核心是将利用对数映射将旋转矩阵从李群SO(3)转换到李代数so(3)中，然后在so(3)做平均，最后在转换到SO(3)，算法如下所示：

计算在SO(3)上的误差矩阵把误差矩阵从SO(3)转换为so(3)：

其中Δθ_t为在so(3)中各个肢体传感器的旋转角度，Δr_t为在so(3)中各个肢体传感器的旋转轴向量的斜对称矩阵形式。

在so(3)求平均误差矩阵：

把平均误差矩阵从so(3)转换到SO(3)：

其中为Δθ的平均。

在SO(3)上计算平均矩阵：

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤五中计算三种校准姿势下肩关节的相对旋转矩阵，结合步骤四得到的M-IMU传感器的平均测量，利用手眼标定算法获得躯干传感器坐标系与人体坐标系的相对旋转矩阵的具体过程为：

在校准姿势1的状态下，左上肢的人体坐标系相对于躯干人体坐标系绕X轴逆时针旋转90度，此时肩关节的旋转矩阵为：

在校准姿势2的状态下，左上肢的人体坐标系与躯干人体坐标系平行，此时肩关节的旋转矩阵为：

在校准姿势3的状态下，左上肢的人体坐标系相对于躯干人体坐标系绕Z轴逆时针旋转90度，此时肩关节的旋转矩阵为：

在三种校准姿势下左侧肩关节的运动学方程如下：

将公式(2)化简为手眼标定方程：

A_jX＝XB_j,j＝1,2 (3)

其中为躯干人体坐标系相对于盆骨人体坐标系的旋转矩阵；

躯干的相对旋转矩阵通过在李群SO(3)上采用最小二乘法来获得：

其中向量α_j,β_j,j＝1,2是矩阵A_j,B_j,j＝1,2的归一化的指数坐标，通过如下方法计算获得：

躯干传感器坐标系和人体坐标系的相对旋转矩阵为：

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述根据步骤六中得到躯干人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵具体为：

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤七中右上肢和右下肢的人体坐标系相互平行并且与躯干的人体坐标系相差一个相对旋转矩阵即具体为：

右上肢和右下肢的人体坐标系相互平行并且与躯干的人体坐标系相差一个旋转矩阵

右上肢和右下肢的人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵为：

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤八中得到每个肢体的传感器坐标系相对于人体坐标系的相对旋转矩阵的具体过程为：

躯干和左侧肢体的传感器坐标系相对于人体坐标系的相对旋转矩阵为：

躯干和右侧肢体的传感器坐标系相对于人体坐标系的相对旋转矩阵为：

其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

实施例一：

因为安装方式的原因，人体各个肢体上传感器坐标系和相应的人体坐标系是不重合的。为了提高运动捕获的精度，所以需要对其进行初始化校准求出传感器坐标系和人体坐标系的相对旋转矩阵。为了求取这个相对旋转矩阵我们首先需要通过传感器测量人体各个肢体的姿态数据。传感器使用3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计测量人体各肢体的加速度、角速率和地磁信息。根据人体骨架模型，只有将传感器安放于人体骨骼处才能得到比较精确的数据，但是因为安装方式的限制，只能将其安装与人体皮肤比较少的部位，尽可能与人体骨骼贴合的地方。研究表明传感器的安放应尽可能减少软组织带来的影响。考虑上述原则，在人体直立双臂自然下垂时将大臂的传感器安放于肱三头肌与肘关节连接处的肌腱位置，小臂传感器安放于小臂背部，手掌的传感器安放于手背中心处。腿部传感器也遵循同样的原则，使其与人体骨骼贴合。

安装好传感器后依次做三个标准姿势即标准姿势1、标准姿势2、标准姿势3。传感器测量多组各个肢体的加速度、角速度和地磁信息。然后通过卡尔曼滤波将传感器测量的数据进行融合得到每个肢体传感器坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵因为人体在做标准姿势时难免会产生抖动，所以我们通过对其测量的多组数据求其内蕴平均的方法来得到一个平均值该算法利用对数映射将旋转矩阵从李群SO(3)转换到李代数so(3)中，然后在so(3)做平均，再转换到SO(3)。最后求出传感器坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵的平均值。在三个标准姿势下我们能够求出肩关节相对于参考坐标系的旋转矩阵然后结合运动学方程将其化简为手眼标定方程后在在李群上采用最小二乘法求出躯干传感器坐标系相对于人体坐标系的旋转矩阵然后求得躯干人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵在标准姿势1下头部、躯干、盆骨和左侧肢体的人体坐标系相互平行，且已知右侧肢体与躯干的相对旋转四元数。所以可以求得各个肢体的人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵，最后求出各个肢体的传感器坐标系相对于人体坐标系的旋转矩阵

Claims (8)

1.一种用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法，其特征在于，所述用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法包括以下步骤：

步骤一：根据人体运动学模型和人体解剖学将人体肢体分为17个部分并编号，并对人体的每个部分建立人体坐标系和相应的传感器坐标系同时建立参考坐标系其中i＝1,2,3,…,17；

步骤二：将M-IMU传感器固定在17个相应的肢体上；

步骤三：设定三种校准姿势，即校准姿势1、校准姿势2和校准姿势3；记录每种校准姿势下的传感器测量数据其中所述分别为17个肢体上传感器坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵数据，分别为n次测量得到的传感器坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵数据；

步骤四：对步骤三在每种校准姿势下得到的M-IMU传感器测量数据做内蕴平均，得到在三种校准姿势下M-IMU传感器的平均量测其中所述分别为的平均量测值；

步骤五：计算三种校准姿势下肩关节的相对旋转矩阵，结合步骤四得到的M-IMU传感器的平均量测值，利用手眼标定算法获得躯干传感器坐标系与人体坐标系的相对旋转矩阵

步骤六：根据步骤五得到的躯干传感器坐标系与人体坐标系的相对旋转矩阵得到躯干人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵

步骤七：在校准姿势1下，躯干、盆骨、头部、左上肢和左下肢的人体坐标系相互平行，即右上肢和右下肢的人体坐标系相互平行并且与躯干的人体坐标系相差一个相对旋转矩阵即其中所述为躯干、盆骨、头部、左上肢和左下肢肢体人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵，为右上肢和右下肢的人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵；

步骤八：根据步骤四得到的在校准姿势1下的传感器测量以及步骤七得到的人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵得到每个肢体的传感器坐标系相对于人体坐标系的相对旋转矩阵

2.根据权利要求1所述的一种用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法，其特征在于，所述步骤一中对人体的每个部分建立人体坐标系和相应的传感器坐标系同时建立参考坐标系具体为：

在身体直立，双手平伸向身体两侧时，在躯干、盆骨、头部、左上肢、左下肢上建立人体坐标系，x轴指向身体前方，y轴指向身体左侧，z轴垂直向上；右上肢和右下肢的人体坐标系的x轴指向身体前方，y轴指向身体右侧，z轴垂直向下；参考坐标系为地球坐标系，X*轴指向地磁北，Y*轴指向东，Z*轴垂直向下。

3.根据权利要求2所述的一种用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法，其特征在于，所述步骤三中校准姿势1、校准姿势2和校准姿势3具体为：

校准姿势1为保持身体和下肢直立，双脚并拢，双臂自然下垂，掌心朝身体内侧；

校准姿势2为保持身体和下肢直立，双脚并拢，双手平伸向身体两侧，掌心向下；

校准姿势3为保持身体和下肢直立，双脚并拢，双臂向前伸展与肩平，掌心向下。

4.根据权利要求3所述的一种用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法，其特征在于，所述步骤四中对步骤三在每种校准姿势下得到的M-IMU传感器测量数据做内蕴平均，得到在三种校准姿势下M-IMU传感器的平均量测具体为：

对n组测量做平均：

其中R为旋转矩阵，R_t为每次测量的旋转矩阵。

5.根据权利要求4所述的一种用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法，其特征在于，所述步骤五中计算三种校准姿势下肩关节的相对旋转矩阵，结合步骤四得到的M-IMU传感器的平均测量，利用手眼标定算法获得躯干传感器坐标系与人体坐标系的相对旋转矩阵的具体过程为：

在校准姿势1的状态下，左上肢的人体坐标系相对于躯干人体坐标系绕X轴逆时针旋转90度，此时肩关节的旋转矩阵为：

在校准姿势2的状态下，左上肢的人体坐标系与躯干人体坐标系平行，此时肩关节的旋转矩阵为：

在校准姿势3的状态下，左上肢的人体坐标系相对于躯干人体坐标系绕Z轴逆时针旋转90度，此时肩关节的旋转矩阵为：

在三种校准姿势下左侧肩关节的运动学方程如下：

将公式(2)化简为手眼标定方程：

A_jX＝XB_j,j＝1,2 (3)

其中为躯干人体坐标系相对于盆骨人体坐标系的旋转矩阵；

躯干的相对旋转矩阵通过在李群SO(3)上采用最小二乘法来获得：

其中向量α_j,β_j,j＝1,2是矩阵A_j,B_j,j＝1,2的归一化的指数坐标，通过如下方法计算获得：

躯干传感器坐标系和人体坐标系的相对旋转矩阵为：

6.根据权利要求5所述的一种用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法，其特征在于，所述根据步骤六中得到躯干人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵具体为：

7.根据权利要求6所述的一种用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法，其特征在于，所述步骤七中右上肢和右下肢的人体坐标系相互平行并且与躯干的人体坐标系相差一个相对旋转矩阵即具体为：

右上肢和右下肢的人体坐标系相互平行并且与躯干的人体坐标系相差一个旋转矩阵

右上肢和右下肢的人体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵为：

8.根据权利要求7所述的一种用于M-IMU人体运动捕获***的初始化校准方法，其特征在于，所述步骤八中得到每个肢体的传感器坐标系相对于人体坐标系的相对旋转矩阵的具体过程为：

躯干和左侧肢体的传感器坐标系相对于人体坐标系的相对旋转矩阵为：

躯干和右侧肢体的传感器坐标系相对于人体坐标系的相对旋转矩阵为：