CN107063173A - 角度检测方法和关节运动夹角检测*** - Google Patents

角度检测方法和关节运动夹角检测*** Download PDF

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CN107063173A CN201710442846.4A CN201710442846A CN107063173A CN 107063173 A CN107063173 A CN 107063173A CN 201710442846 A CN201710442846 A CN 201710442846A CN 107063173 A CN107063173 A CN 107063173A
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凌晓华
何春华
侯景义
罗向前
罗向勇
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Guangzhou Xin Qun Technology Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种上述角度检测方法和关节运动夹角检测***，角度检测方法包括：获取被测体运动之前的初始角度信息，并获取被测体运动产生的三轴角速度；采用预设姿态矩阵和三轴角速度进行姿态解算得到四元数；根据四元数获取欧拉角；根据欧拉角和初始角度信息获取被测体运动之后的姿态角。如此，得到的姿态角根据三轴角速度进行处理得到，考虑了多个方向，测量精度高。

Description

角度检测方法和关节运动夹角检测***
技术领域
本发明涉及数据检测技术领域，特别是涉及一种角度检测方法和关节运动夹角检测***。
背景技术
角度是机械或人体运动过程中的一个重要参数，通过测量运动过程中的角度变化，有助于分析运动趋势。
传统的测量角度的方法包括基于霍尔效应测试方法、基于电容测试方法、基于电阻测试方法、基于机械片夹角测试方法等，这几种方法通常只能测量单一方向的角度，容易受外界加速度和磁场等影响，从而导致角度测量误差较大，并且不同地理位置重力场的变化容易导致测量精度下降。
发明内容
基于此，有必要针对传统的测量方法测量精度低的问题，提供一种测量精度高的角度检测方法和关节运动夹角检测***。
一种角度检测方法，包括：
获取被测体运动之前的初始角度信息，并获取所述被测体运动产生的三轴角速度；
采用预设姿态矩阵和所述三轴角速度进行姿态解算得到四元数；
根据所述四元数获取欧拉角；
根据所述欧拉角和所述初始角度信息获取所述被测体运动之后的姿态角。上述角度检测方法，通过获取被测体运动之前的初始角度信息及由运动产生的三轴角速度，根据预设姿态矩阵和三轴角速度进行姿态解算得到四元数，然后根据四元数获取欧拉角，最终根据欧拉角和初始角度信息获取被测体运动之后的姿态角。如此，得到的姿态角根据三轴角速度进行处理得到，考虑了多个方向，测量精度高。
一种关节运动夹角检测***，包括终端和与所述终端通信连接的两个角度检测器，两个角度检测器各自固定于连接同一关节的两个关节臂上；
所述角度检测器实现上述角度检测方法的步骤得到姿态角并发送至所述终端，所述终端根据两个角度检测器分别发送的姿态角获取夹角。
上述关节运动夹角检测***，通过将两个角度检测器分别各自固定在连接同一关节的两个关节臂上，各个关节臂上的角度检测器可以检测对应关节臂运动产生的姿态角，并将检测的姿态角发送至终端，终端根据两个姿态角获取夹角。由于角度检测器采用上述角度检测方法获取姿态角，得到的姿态角精度高，从而可提高夹角检测的精度。
附图说明
图1为一实施例中角度检测方法的流程图；
图2为另一实施例中角度检测方法的流程图；
图3为一实施例中关节运动夹角检测***的结构图；
图4为一实施例中角度检测器的安装位置示意图；
图5为一实施例中角度检测器的结构图。
具体实施方式
参考图1，一实施例中的角度检测方法，包括如下步骤。
S110：获取被测体运动之前的初始角度信息，并获取被测体运动产生的三轴角速度。
初始角度信息用于指示在此次运动之前的角度，比如前一次运动检测得到的角度。三轴角速度包括三维坐标系中x轴、y轴和z轴三个方向的角速度。
S130：采用预设姿态矩阵和三轴角速度进行姿态解算得到四元数。
预设姿态矩阵可以根据实际情况设置并存储。具体地，可以通过四元数姿态解算的方法根据预设姿态矩阵和三轴角速度进行计算得到对应的四元数。
S150：根据四元数获取欧拉角。
具体地，可采用四元数到欧拉角的转换方法得到欧拉角。
S170：根据欧拉角和初始角度信息获取被测体运动之后的姿态角。
欧拉角为此次运动所产生的角度，最终被测体运动之后的姿态角在此次运动得到的欧拉角的基础上考虑初始角度信息，比如，在初始角度信息对应的角度上增加欧拉角得到姿态角。
上述角度检测方法，通过获取被测体运动之前的初始角度信息及由运动产生的三轴角速度，根据预设姿态矩阵和三轴角速度进行姿态解算得到四元数，然后根据四元数获取欧拉角，最终根据欧拉角和初始角度信息获取被测体运动之后的姿态角。如此，得到的姿态角根据三轴角速度进行处理得到，考虑了多个方向，测量精度高。
在一实施例中，参考图2，步骤S110包括步骤S111至步骤S115。
S111：获取被测体运动之前的初始角度信息。
S113：采集被测体运动产生的初始三轴角速度。
三轴角速度可以通过采用三轴陀螺仪采集得到。具体地，也可以是按照预设周期间隔采集初始三轴角速度，比如每隔10ms(毫秒)采集一次，最终可采用采集的多个初始三轴角速度的平均值。可以理解，在其他实施例中，预设周期也可以是根据需要设置为其他数值。
S115：对初始三轴角速度进行滤波处理，得到三轴角速度。
通过对采集的初始三轴角速度进行滤波处理，使得到的三轴角速度更准确，从而可提高角度检测的精度。
具体地，步骤S115可以包括：采用自适应卡尔曼滤波算法对初始三轴角速度进行滤波处理，得到三轴角速度。
随机噪声为有色噪声，并且具有非平稳特性；通过采用自适应卡尔曼滤波算法，自适应调整噪声的统计特性(如标准差和方差)，以实现最优估计、抑制噪声干扰，从而实现最优的滤波。可以理解，在其他实施例中，步骤S115也可以采用其他滤波方法实现对初始三轴角速度进行滤波处理。
在一实施例中，请继续参考图2，S130之前还包括步骤S120：采集环境温度。具体地，可以通过采用温度传感器采集环境温度。其中，步骤S120可以在步骤S110之前执行，也可以在步骤S110之后执行，还可以与步骤S110同时执行。
对应地，步骤S130包括步骤S131和步骤S132。
S131：根据环境温度对三轴角速度进行温度补偿，得到温度补偿后的三轴三轴角速度。
具体地，步骤S131可采用多项式拟合算法或神经网络补偿算法实现根据环境温度对三轴角速度进行温度补偿。可以理解，在其他实施例中还可以采用其他方式进行温度补偿。
S132：采用预设姿态矩阵和温度补偿后的三轴角速度进行姿态解算得到四元数。
通过在采集环境温度，并根据环境温度对三轴角速度进行温度补偿，可在一定范围内消除温度变化对角度检测的影响，提高三轴角速度的准确性，从而提高角度检测的精度。
具体地，请继续参考图2，步骤S132可以包括步骤S1321和步骤S1323。
S1321：获取运动时长，根据温度补偿后的三轴角速度分别获取运动时长所包含的多个时段的角增量。
运动时长指从开始运动到运动结束所耗费的时间。运动时长可划分为多个连续的时段，根据温度补偿后的三轴角速度可获取各时段的角增量。
S1322：根据各时段的角增量获取运动时长对应的圆锥补偿后的等效旋转矢量。
具体地，步骤S1322可采用圆锥补偿方法获取等效旋转矢量。通过采用圆锥补偿的方式，可提高获取四元数的准确性，从而进一步提高角度检测的准确性。
S1323：根据预设姿态矩阵和等效旋转矢量获取四元数。
具体地，预设姿态矩阵为初始四元数对应的四个参数构成的矩阵。比如，假设四元数的表示形式为Q＝q0+q1i+q2j+q3k，其中q0为实数坐标，q1、q2、q3为虚数坐标，i,j,k分别为虚数单位，i*i＝j*j＝k*k＝-1；初始四元数为Q(t0)＝q0(t0)+q1(t0)i+q2(t0)j+q3(t0)k，则预设姿态矩阵为q0，q1，q2，q3构成的矩阵。
通过采用步骤S1321至步骤S1323的方法获取的四元数准确度更高。
具体地，本实施例中，运动时长可划分为3个时段，步骤S1321包括：
步骤S1322包括：
步骤S1323包括：
Q(tn)＝q0(tn)+q1(tn)i+q2(tn)j+q3(tn)k (4)；
其中，ω为温度补偿后的三轴角速度，h为运动时长，h＝tn+1-tn；Δφ1为第一个时段的角增量，Δφ2为第二个时段的角增量，Δφ3为第三个时段的角增量；φh为圆锥补偿后的等效旋转矢量；q(h)为[tn，tn+1]时间段内的姿态变化四元数；Q(tn+1)和Q(tn)分别为tn+1和tn时刻的姿态四元数；u为与φh平行的单位矢量。根据公式(3)求得q(h)后，将q(h)代入公式(5)，联立公式(4)和(5)并结合预设姿态矩阵进行迭代运算即可求得Q(tn)，即可求得对应的q0(tn)、q1(tn)、q2(tn)、q3(tn)。
其中，如果采用传统的毕卡算法求解四元数，则有：
φh＝Δφ (7)；
其中，Δφ为运动时长内的角增量。
由于毕卡算法为单子样算法，即把[tn，tn+1]时间段内的ω看作不变的常数，这样会引起积分误差。为了补偿积分误差，需要采用多子样算法。考虑到虽然多子样可以提高计算精度，但是会极大增加计算量，因此本实施例中采用三子样算法，即在[tn，tn+1]时间段内的ω看作变量，用抛物线来拟合角速度。对于捷联惯导姿态更新来说，圆锥运动是最恶劣的工作条件，它会诱发数学平台的严重漂移，所以对旋转矢量算法作优化处理应以圆锥运动为环境条件。因此，本申请中，选取三子样算法计算三个时段的角增量，即公式(1)代替公式(6)，采用圆锥补偿的算法计算等效旋转矢量，即公式(2)代替公式(7)。如此，可在计算量较小的同时提高计算精度。
在一实施例中，四元数对应第一参数、第二参数、第三参数和第四参数，欧拉角包括航向角、横滚角和俯仰角。即，一个四元数对应有一个第一参数、一个第二参数、一个第三参数和一个第四参数。
步骤S150包括：
β(tn)＝-arcsin(2q1(tn)q3(tn)-2q0(tn)q2(tn))；
其中，q0(tn)、q1(tn)、q2(tn)、q3(tn)分别为第一参数、第二参数、第三参数和第四参数，α(tn)为俯仰角，β(tn)为横滚角，γ(tn)为航向角。
一具体应用例中，步骤S150得到的四元数对应的q0(tn)、q1(tn)、q2(tn)、q3(tn)分别为8765、-4143、13192、642，则计算得到的航向角γ(tn)、横滚角β(tn)和俯仰角α(tn)分别为351.625°、-61.75°、153.9375°。
在一实施例中，步骤S170之前还包括加速度和磁场强度采集步骤：获取被测体的三轴磁场强度及运动产生的三轴加速度。
三轴磁场强度包括三维坐标系中x轴、y轴和z轴三个方向的磁场强度，三轴加速度包括三维坐标系中x轴、y轴和z轴三个方向的加速度。三轴加速度可以通过采用三轴加速度计采集得到，三轴磁场强度可以通过采用三轴磁力计采集得到。具体地，加速度和磁场强度采集步骤可以与步骤S110同时执行。
对应地，步骤S170包括：根据三轴加速度和三轴磁场强度对欧拉角进行校准；根据校准后的欧拉角与初始角度信息获取被测体运动之后的姿态角。
初始角度信息可以为前一次运动检测的欧拉角，则此次运动后，计算校准后的欧拉角与初始角度信息对应的欧拉角的矢量和即可得到被测体此次运动之后的姿态角。进一步地，可根据三轴加速度、三轴磁场强度和欧拉角采用卡尔曼滤波算法进行校准得到校准后的姿态角。
通过根据三轴角速度和三轴磁场强度对欧拉角进行校准，将所在地理位置的重力场和磁场对运动过程角度的影响考虑在内，可补偿因重力场和磁场产生的误差，提高欧拉角的检测精度。
在一实施例中，获取被测体的三轴磁场强度及运动产生的三轴加速度后，还对三轴加速度和三轴磁场强度进行滤波处理，得到滤波后的三轴加速度和三轴磁场强度，以及根据采集的环境温度对滤波后的三轴加速度和三轴磁场强度进行温度补偿；对应地，步骤S170中根据温度补偿后的三轴加速度和温度补偿后的三轴磁场强度对欧拉角进行校准。
通过先对三轴磁场强度和三轴加速度进行滤波和温度补偿处理，使得到的三轴磁场强度和三轴加速度更准确，从而对欧拉角的校准更准确，可进一步提高角度检测的准确性。具体地，三轴加速度和三轴磁场强度的滤波和温度补偿处理可与三轴角速度的滤波和温度补偿处理同时执行。
上述角度检测方法，可以应用于机械运动的角度检测，也可以应用于人体关节运动的角度检测。例如，康复运动对于患者的修复治疗具有非常重要的作用，多数医生都要求患者在骨骼手术后进行一定强度的康复运动训练。上述角度检测方法可应用于便携式的康复运动监测产品，检测患者关节运动时产生的姿态角，检测精度高。
参考图3和图4，一实施例中的关节运动夹角检测***，包括终端210和与终端210通信连接的两个角度检测器220，两个角度检测器220各自固定于连接同一关节300(图5)的两个关节臂310上。
角度检测器220实现上述角度检测方法的步骤得到姿态角并发送至终端210，终端210根据两个角度检测器220分别发送的姿态角获取夹角。
根据单个的角度检测器220可以测量角度检测器220所在关节臂310运动的姿态角。由于每个关节300连接两个关节臂310，关节300到关节臂310端点都可以看作一个矢量，因此两关节臂310之间的夹角等于两个矢量的夹角，即只要能测量两个矢量运动的姿态角，即可求出两关节臂310之间的夹角的大小。具体地，终端210计算两个角度检测器220分别发送的姿态角的差值，将差值的绝对值作为夹角。
上述关节运动夹角检测***，通过将两个角度检测器220分别各自固定在连接同一关节300的两个关节臂310上，各个关节臂310上的角度检测器220可以检测对应关节臂310运动产生的姿态角，并将检测的姿态角发送至终端210，终端210根据两个姿态角获取夹角。由于角度检测器220采用上述角度检测方法获取姿态角，得到的姿态角精度高，从而可提高夹角检测的精度。
在一实施例中，终端210为移动终端。通过采用移动终端，使用灵活性高，可提高关节运动夹角检测***的使用便利性。例如，终端210可以包括手机、平板中的任意一种。可以理解，在其他实施例中，终端210也可以采用电脑等固定终端。
具体地，本实施例中，终端210为手机。通过手机对2个角度检测器220进行星型连接通信，手机APP分时复用程序，通过轮询寻址，分别读取2个角度检测器220检测的姿态角。
在一实施例中，参考图5，角度检测器220包括通信模块221和数据处理模块222，数据处理模块222连接通信模块221，通信模块221与终端210通信连接。数据处理模块222实现上述角度检测方法的步骤得到姿态角并发送至通信模块221，通信模块221将姿态角发送至终端210。
通过采用数据处理模块222实现姿态角的检测，采用通信模块221连接数据处理模块222将姿态角检测的姿态角发送至终端210，结构简单。
在一实施例中，通信模块221为蓝牙芯片，数据处理模块222为IMU(惯性测量单元)芯片。蓝牙芯片相比于其他用于通信的芯片功耗低，IMU芯片可以采集三轴角速度，且具有精度高、功耗低、体积小、重量轻、易于密封和集成的优点；采用蓝牙芯片和IMU芯片，一方面可降低关节运动夹角检测***的整体功耗，另一方面可减小体积和体积。
具体地，蓝牙芯片与终端210的通信协议为低功耗蓝牙4.0协议，蓝牙芯片可采用CC2540，其中包含8051内核。IMU芯片可采用BNO055。
在一实施例中，请继续参考图5，角度检测器220还包括可充电电池223和电源管理模块224，电源管理模块224连接通信模块221、数据处理模块222和可充电电池223。
电源管理模块224用于在接收到开机信号时，根据可充电电池223的输出电压输出供电电压至通信模块221和数据处理模块222，在接收到关机信号时，停止输出供电电压至通信模块221和数据处理模块222。
通过采用电源管理模块224在接收开机信号/关机信号时，根据可充电电池223的输出电压输出/不输出供电电压至通信模块221和数据处理模块222，从而可方便地控制角度检测器220的开关机。具体地，可选用BQ21040充电芯片给可充电电池223充电。
在一实施例中，上述关节运动夹角检测***还包括与终端通信210连接的服务器(图未示)。
终端210将检测的夹角发送至服务器进行存储。如此，可将检测的数据保存到服务器中，便于远程查看，方便快捷。可以理解，终端210还可以将接收的两个姿态角发送至服务器进行存储。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种角度检测方法，其特征在于，包括：
获取被测体运动之前的初始角度信息，并获取所述被测体运动产生的三轴角速度；
采用预设姿态矩阵和所述三轴角速度进行姿态解算得到四元数；
根据所述四元数获取欧拉角；
根据所述欧拉角和所述初始角度信息获取所述被测体运动之后的姿态角。
2.根据权利要求1所述的角度检测方法，其特征在于，所述获取被测体运动之前的初始角度信息，并获取所述被测体运动产生的三轴角速度，包括：
获取所述被测体运动之前的初始角度信息；
采集所述被测体运动产生的初始三轴角速度；
对所述初始三轴角速度进行滤波处理，得到所述三轴角速度。
3.根据权利要求1所述的角度检测方法，其特征在于，所述采用预设姿态矩阵和所述三轴角速度进行姿态解算得到四元数之前，还包括：采集环境温度；
所述采用预设姿态矩阵和所述三轴角速度进行姿态解算得到四元数，包括：根据所述环境温度对所述三轴角速度进行温度补偿，得到温度补偿后的三轴角速度，采用所述预设姿态矩阵和温度补偿后的三轴角速度进行姿态解算得到四元数。
4.根据权利要求3所述的角度检测方法，其特征在于，所述采用所述预设姿态矩阵和温度补偿后的三轴角速度进行姿态解算得到四元数，包括：
获取运动时长，根据温度补偿后的三轴角速度分别获取所述运动时长所包含的多个时段的角增量；
根据各时段的角增量获取所述运动时长对应的圆锥补偿后的等效旋转矢量；
根据所述预设姿态矩阵和所述等效旋转矢量获取四元数。
5.根据权利要求1所述的角度检测方法，其特征在于，所述四元数对应第一参数、第二参数、第三参数和第四参数，所述欧拉角包括航向角、横滚角和俯仰角，所述根据所述四元数获取欧拉角，包括：
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β(tn)＝-arcsin(2q1(tn)q3(tn)-2q0(tn)q2(tn))；
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其中，q0(tn)、q1(tn)、q2(tn)、q3(tn)分别为所述第一参数、所述第二参数、所述第三参数和所述第四参数，α(tn)为所述俯仰角，β(tn)为所述横滚角，γ(tn)为所述航向角。
6.根据权利要求1所述的角度检测方法，其特征在于，所述根据所述欧拉角和所述初始角度信息获取所述被测体运动之后的姿态角之前，还包括：
获取所述被测体的三轴磁场强度及运动产生的三轴加速度；
所述根据所述欧拉角和所述初始角度信息获取所述被测体运动之后的姿态角，包括：
根据所述三轴加速度和所述三轴磁场强度对所述欧拉角进行校准；
根据校准后的欧拉角与所述初始角度信息获取所述被测体运动之后的姿态角。
7.一种关节运动夹角检测***，其特征在于，包括终端和与所述终端通信连接的两个角度检测器，两个角度检测器各自固定于连接同一关节的两个关节臂上；
所述角度检测器实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤得到姿态角并发送至所述终端，所述终端根据两个角度检测器分别发送的姿态角获取夹角。
8.根据权利要求7所述的关节运动夹角检测***，其特征在于，所述角度检测器包括通信模块和数据处理模块，所述数据处理模块连接所述通信模块，所述通信模块与所述终端通信连接。
9.根据权利要求8所述的关节运动夹角检测***，其特征在于，所述通信模块为蓝牙芯片，所述数据处理模块为IMU芯片。
10.根据权利要求8或9所述的关节运动夹角检测***，其特征在于，角度检测器还包括可充电电池和电源管理模块，所述电源管理模块连接所述可充电电池、所述通信模块和所述数据处理模块。
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