CN115291167B - 一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法，包括步骤1，布置n个超声波短基线阵列；步骤2，姿态捕捉人员穿戴超声波发生器对外发出超声波；步骤3，对超声波的入射方向进行定位；步骤4，从n条超声波入射空间直线中任取3条形成一组超声波入射空间直线组；步骤5.1，通过空间两直线近似交点计算方法，得到近似交点；步骤5.2，计算近似交点的质心和偏离度；重复步骤5.1和5.2，计算全部超声波入射空间直线组的质心和偏离度；步骤6，确定超声波发生器的最终定位位置；重复步骤3至步骤6定位全部超声波发生器的最终定位位置；步骤7，构造操作人员的实时姿态框架图。本发明能够在室内短距离场合实现高精度的人体姿态捕捉。

Description

一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法

技术领域

本发明涉及一种用于人体姿态捕获领域的基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法。

背景技术

人体姿态捕获技术是一种捕获人体实时姿态数据的技术，广泛应用于安防监控，虚拟现实、辅助训练、游戏设计、远程遥控、军事武器等领域，所涉及的技术原理和实现方式也众多，常用的有视觉识别理解和可穿戴设备姿态捕捉技术两种。

视觉识别理解通过单目或者双目图像利用深度学习技术对图像/视频中的人体姿态进行识别和预测，视觉识别理解技术理论上可实现对任意目标的姿态捕捉和预测，但是精度较低，且空间感知能力差。

可穿戴设备姿态捕捉利用可穿戴设备固定在目标人员四肢关节点处，通过检测可穿戴设备的位置和角度来拼凑出人体的实时姿态，其相较于视觉识别理解精度较高且时效性强。对于可穿戴设备姿态捕捉，目前进行识别的载体主要为可见光，其次为无线电磁波。对于可见光载体而言，其较易被遮挡，从而影响姿态识别的准确性。对于电磁波，由于其传播速度较快，对于短距离室内场合而言较难以获得更加准确的测量精度。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法，能够在室内短距离场合实现高精度的人体姿态捕捉。

实现上述目的的一种技术方案是：一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法，包括如下步骤：

步骤1，布置n个朝向姿态捕捉人员的超声波短基线阵列，n大于等于4；

步骤2，姿态捕捉人员穿戴超声波发生器，由超声波发生器对外发出超声波；

步骤3，对于任意1个超声波短基线阵列，通过超声波作为传播载体对超声波的入射方向进行定位，得到共计n条超声波入射空间直线；

步骤4，从该n条超声波入射空间直线中任取3条形成一组超声波入射空间直线组；

步骤5.1，对于任意一组超声波入射空间直线组，选取其中的任意2条超声波入射空间直线，对超声波的入射方向进行反向延长，通过空间两直线近似交点计算方法，得到该2条超声波入射空间直线的近似交点,共计得到3个近似交点；

步骤5.2，计算该3个近似交点的质心，然后计算所有近似交点到该质心距离平方均值作为该超声波入射空间直线组的偏离度；

重复步骤5.1和5.2，计算全部超声波入射空间直线组的质心和偏离度；

步骤6，选取偏离度最小的超声波入射空间直线组作为超声波发生器的定位输入，该超声波入射空间直线组的3个近似交点的质心为超声波发生器的最终定位位置；

重复步骤3至步骤6定位全部超声波发生器的最终定位位置；

步骤7，通过全部超声波发生器的最终定位位置，依照超声波发生器的顺序关系和空间位置关系构造操作人员的实时姿态框架图。

进一步的，布置超声波短基线阵列的方法为：

步骤1.1，将4个声波传感器进行四方形布置在同一空间平面上，形成1个超声波短基线阵列；然后重复上述步骤，初步布置全部超声波短基线阵列的空间位置和朝向；

步骤1.2，对于任意1个超声波短基线阵列，通过其他超声波短基线感知阵列的超声波信号确定其空间位置；然后重复上述步骤，完成全部超声波短基线阵列的空间位置测定；

步骤1.3，对于任意1个超声波短基线阵列，通过其他超声波短基线感知阵列的超声波信号确定其他超声波短基线感知阵列的信号方向，然后反推自身的朝向；然后重复上述步骤，完成全部超声波短基线阵列的朝向确定。

进一步的，捕捉人员穿戴的超声波发生器共计11个，分别位于头部、颈部、左右双臂肘关节处、左右手腕处、腰部、双腿膝盖处、双脚脚踝处。

进一步的，步骤3的具体方法为：

超声波短基线阵列由4个声波传感器1号到4号组成，成正方形顺时针排列，4个声波传感器在同一个空间平面S1上，在S1平面上创建平面坐标系，以4个声波传感器的中心点作为原点，规定1号声波传感器在第二象限，2号声波传感器在第一象限，3号声波传感器在第四象限，4号声波传感器在第三象限，传感器之间的空间间隔为R；

当一个超声波全向声源发射出超声波时，简化的将声源发出的声波看作平行声波，其入射角度与S1平面夹角为β，其在S1平面上投影与纵轴夹角为α，以0<α<90°为例，4号声波传感器最先接收到声波信号，以4号声波传感器时延为0作为基准，可得到1号-3号声波传感器的接收时延长度分别为Dy1、Dy2、Dy3，其在S1平面上的投影长度分别为Dy1′、Dy2′、Dy3′，计算公式如下：

定义收敛判据如下：

Dy1′+Dy3′＝Dy2′ 式1-2

即：Dy1′、Dy2′、Dy3′必须满足上述等式才能判定其收敛，才认定所接收的超声波信号有效；

另外，Dy1′、Dy2′、Dy3′，α，β满足如下等式关系：

Dy1′＝Rcosα 式1-3

Dy3′＝Rsinα 式1-4

Dy1²+Dy3²＝R² 式1-5

得到α，β描述等式如下：

至此，确定超声波的入射方向。

进一步的，步骤5.1中，空间两直线近似交点计算方法的具体方法为：

取传感器阵列的中心点(x1,y1,z1)作为起点，通过短基线阵列定向算法所计算出的入射偏角α和β可计算出沿着该入射方向单位长度后的空间坐标点为(x2,y2,z2)，以此类推，(x3,y3,z3),(x4,y4,z4)定义为另一个超声波短基线阵列平面S2的中心点和沿着其入射方向单位长度后的空间坐标点，因此定义L1为由面S1测量的超声波发生器的方向直线，L2为由面S2测量的超声波发生器的方向直线，其中L1和L2的一般参数方程如下：

其中，s和t为实数，在L1取一点P(X,Y,Z)，在L2取一点Q(U,V,W)，则P和Q之间的距离PQ满足下列等式关系：

求取二元函数f(s,t)的最小值等价于对f(s,t)分别求关于s,t的偏导数，并令偏导数为0，结果如下：

其中，令：

可简化偏导方程为：

可得s,t,P,Q结果如下：

取P和Q的中点作为L1和L2的近似交点V，表示等式如下：

至此，得到2条超声波入射空间直线的近似交点。

进一步的，超声波短基线阵列包括FPGA运算芯片、AD同步采样芯片和4路超声波传感器。

本发明的一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法，采用了不易受遮挡的超声波作为载体，提升了定位的可靠性，同时由于超声波的速度较慢，对距离更敏感，更适合短距离室内测距，因此可以根据飞行时间获得更高的距离精度。本发明定位算法采用了基于超声波短基线阵列的定向原理，采用多点定向定位的算法，并且改进了辅助算法以保证定向定位的可靠性和精度。本发明对于超声波短基线阵列具备互相测量定位的初始化策略，可互相定位确定测量设备空间立***置，无需精确摆放即可使用，消除了设备摆放位置对测量精度的影响。

附图说明

图1为本发明采用的***的结构示意图；

图2为本发明的超声波短基线感知阵列的初始化流程示意图；

图3为超声波短基线阵列定向原理示意图；

图4为超声波短基线感知阵列信号时域表示图；

图5为空间中两直线近似交点估算原理示意图；

图6为改进的三角定位交点估算方法示意图。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：

请参阅图1，本发明的一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法所采用的***包括运算服务器5、超声波短基线感知阵列6和人体穿戴设备7。超声波短基线感知阵列不仅计算所捕获的超声波信号方向，还会解码计算信号内容，并对应到声源设备编号，运算服务器负责综合超声波短基线感知阵列的采样信息，采用改进的三角定位交点估算方法对同一信号源同一时刻发出的由不同感知阵列捕获的超声波信号进行反向定位，并获取该信号源在该时刻下的精确位置。11个可穿戴信号源为超声波发射设备(包括头部、颈部、左右双臂肘关节处、左右手腕处、腰部、双腿膝盖处、双脚脚踝处)，每个超声波发射设备均独立工作，互不干扰，所发射的信号均经过特殊编码，包含时间、部位等信息，保证采样***可区分不同部分不同时间发出的超声波信号。超声波短基线感知阵列6由FPGA运算芯片61、AD同步采样芯片62、4路超声波传感器63组成。超声波是声波的一部分，空气传播速度约为340m/s，1cm距离的声波的传播时长为29.4us，传统的采样芯片为非同步采样原理，多个通道间轮询采样且采样频率不足，会导致较大的时延测量误差，因此采用高性能FPGA芯片和同步采样芯片的组合实现零延迟同步高精度采样计算。

本发明的一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法包括如下步骤：

步骤1，布置n个朝向姿态捕捉人员的超声波短基线阵列，n大于等于4。在本实施例中，取n等于4。

超声波短基线定位阵列在确定声源方向时严格依赖自身的准确位置和阵列面方向，依靠人工无法实现精确地布置，因此采用四个超声波短基线定位阵列互相测量的初始化策略，请参阅图2，其具体步骤为：

步骤1.1，将4个声波传感器进行四方形布置在同一空间平面上，形成1个超声波短基线阵列；然后重复上述步骤，初步布置全部超声波短基线阵列的空间位置和朝向。

步骤1.2，对于任意1个超声波短基线阵列，通过其他超声波短基线感知阵列的超声波信号确定其空间位置；然后重复上述步骤，完成全部超声波短基线阵列的空间位置测定。

步骤1.3，对于任意1个超声波短基线阵列，通过其他超声波短基线感知阵列发出特定编码超声波信号，由该超声波短基线定位阵列进行测向，确定其他超声波短基线感知阵列的信号方向。由于四个超声波短基线定位阵列的空间位置已经确定，所以相互间的信号入射方向也已知，因此可通过该超声波短基线定位阵列对另外三个超声波短基线定位阵列的测向结果反向推算出其阵列面布置方向。然后重复上述步骤，完成全部超声波短基线阵列的朝向确定。到此初始化完毕。基于上述初始化思路，超声波短基线定位阵列组无需严格按照某个位置或方向摆放便可实现精确定向定位功能。

步骤2，姿态捕捉人员穿戴超声波发生器，由超声波发生器对外发出超声波。

步骤3，对于任意1个超声波短基线阵列，通过超声波作为传播载体对超声波的入射方向进行定位，得到共计n条超声波入射空间直线。图3为超声波短基线阵列定向原理示意图，超声波短基线阵列由声波传感器1、声波传感器2、声波传感器3、声波传感器4组成，成正方形顺时针排列，4个声波传感器在同一个空间平面S1上，在S1平面上创建平面坐标系，以4个声波传感器的中心点作为原点，传感器之间的空间间隔为R(对应图中线段12、线段23、线段34、线段41)，当一个超声波全向声源发射出超声波时，由于声源离超声波感知阵列的距离一般很远(大于100cm)，因此为了简化计算，可以将声源发出的声波看作平行声波，对于入射角度与S1平面夹角为β、在S1平面上投影与纵轴夹角为α的平行线来说，以0<α<90°为例，4#声波传感器最先接收到声波信号，以4#换能器时延为0作为基准，可得到1#ˉ3#的接收时延长度分别为Dy1、Dy2、Dy3，其在S1平面上的投影长度分别为Dy1′、Dy2′、Dy3′，其中LD1、LF2、LC3为平行声波入射方向，LD′1、LF′2、LC′3为平行声波直线在S1平面上的投影直线，LDD′、LFF′、LCC′在同一平面内，为平行声波入射方向的垂直平面，由几何关系可得Dy1′+Dy3′＝Dy2，Dy1′＝Rcosα，Dy3′＝Rsinα等式关系，从而确定超声波的入射方向。图4为超声波短基线感知阵列信号时域表示图，代表某一角度的超声波信号射入超声波感知阵列后各传感器接收到信号的先后顺序，CH4#传感器通道首先接收到信号，以该时间作为基准，可得到CH1#-CH3#的接收时延长度分别为Dy1、Dy2、Dy3，该时间延迟需采用高性能FPGA+高精度AD同步采样芯片的组合捕获，以减少误差。

步骤4，从该n条超声波入射空间直线中任取3条形成一组超声波入射空间直线组。

超声波短基线阵列由4个声波传感器组成，成正方形排列，4个声波传感器在同一个空间平面S1上，由两个超声波短基线阵列所计算出的声波入射方向反向延长后，理论上会相交于空间一点，此点即为目标声源的位置，但实际环境中，由于干扰和计算误差的存在，导致两条空间直线很难相交于一点，因此需要采用一种合理的方法估计两条空间直线的近似交点。

步骤5.1，对于任意一组超声波入射空间直线组，选取其中的任意2条超声波入射空间直线，对超声波的入射方向进行反向延长，通过空间两直线近似交点计算方法，得到该2条超声波入射空间直线的近似交点,共计得到3个近似交点。图5为空间中两直线近似交点估算原理示意图，空间中有两条直线l1和l2，P和Q为l1和l2之间距离最近时的两条直线上的点，P在l1上，Q在l2上，V为P和Q的中心点，取V为直线l1和l2的近似交点。

一般来说，由两个超声波短基线阵列所计算出的声波入射方向得到近似交点后，便可认定为目标声源的位置，但是由于偶然误差和干扰的存在，只采用一个点存在很大的不确定性，因此采用四个冗余超声波短基线阵列同时对一个声源目标进行定向，即采用改进的三角定位交点估算方法。4条定向空间直线l1，l2，l3，l4，任意3条定向直线作为组合，可以组成4个组合：

组合:

步骤5.2，计算步骤5.1得到的3个近似交点的质心，然后计算所有近似交点到该质心距离平方均值作为该超声波入射空间直线组的偏离度。

对于任一组合来说，三条直线会形成3个近似交点J1，J2，J3，首先计算三个近似交点的质心Z，然后计算所有点到该质心距离平方均值作为该组合的偏离度δ，计算公式如下：

重复步骤5.1和5.2，计算全部超声波入射空间直线组的质心和偏离度。

步骤6，选取偏离度最小的超声波入射空间直线组作为超声波发生器的定位输入，该超声波入射空间直线组的3个近似交点的质心为超声波发生器的最终定位位置。

图6为改进的三角定位交点估算方法示意图，四个冗余超声波短基线阵列同时对一个声源目标进行定向，可得到4条定向空间直线l1、l2、l3、l4，形成P12、P13、P14、P23、P24、P34共6个近似交点，任意3条定向直线作为组合，可以组成共4个组合，对于任一组合来说，三条直线会形成3个近似交点，通过计算其质心和偏离度，然后选取偏离度δ最小的方向直线组合作为定位输入，如图所示，l2、l3、l4组合的偏离度最小，因此选取对应的近似交点P23、P24、P34的质心Z作为目标声源的最终定位位置。

重复步骤3至步骤6定位全部超声波发生器的最终定位位置。

步骤7，基于超声波短基线阵列定向原理的人体姿态捕获及定位***在获取操作人员全身共11个可穿戴设备的空间坐标后，通过全部超声波发生器的最终定位位置，依照超声波发生器的顺序关系和空间位置关系构造操作人员的实时姿态框架图。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，布置n个朝向姿态捕捉人员的超声波短基线阵列，n大于等于4；

步骤2，姿态捕捉人员穿戴超声波发生器，由超声波发生器对外发出超声波；

步骤3，对于任意1个超声波短基线阵列，通过超声波作为传播载体对超声波的入射方向进行定位，得到共计n条超声波入射空间直线；

步骤4，从该n条超声波入射空间直线中任取3条形成一组超声波入射空间直线组；

步骤5.1，对于任意一组超声波入射空间直线组，选取其中的任意2条超声波入射空间直线，对超声波的入射方向进行反向延长，通过空间两直线近似交点计算方法，得到该2条超声波入射空间直线的近似交点,共计得到3个近似交点；

步骤5.2，计算该3个近似交点的质心，然后计算所有近似交点到该质心距离平方均值作为该超声波入射空间直线组的偏离度；

重复步骤5.1和5.2，计算全部超声波入射空间直线组的质心和偏离度；

步骤6，选取偏离度最小的超声波入射空间直线组作为超声波发生器的定位输入，该超声波入射空间直线组的3个近似交点的质心为超声波发生器的最终定位位置；

重复步骤3至步骤6定位全部超声波发生器的最终定位位置；

步骤7，通过全部超声波发生器的最终定位位置，依照超声波发生器的顺序关系和空间位置关系构造操作人员的实时姿态框架图。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法，其特征在于，布置超声波短基线阵列的方法为：

步骤1.1，将4个声波传感器进行四方形布置在同一空间平面上，形成1个超声波短基线阵列；然后重复上述步骤，初步布置全部超声波短基线阵列的空间位置和朝向；

步骤1.2，对于任意1个超声波短基线阵列，通过其他超声波短基线感知阵列的超声波信号确定其空间位置；然后重复上述步骤，完成全部超声波短基线阵列的空间位置测定；

步骤1.3，对于任意1个超声波短基线阵列，通过其他超声波短基线感知阵列的超声波信号确定其他超声波短基线感知阵列的信号方向，然后反推自身的朝向；然后重复上述步骤，完成全部超声波短基线阵列的朝向确定。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法，其特征在于，捕捉人员穿戴的超声波发生器共计11个，分别位于头部、颈部、左右双臂肘关节处、左右手腕处、腰部、双腿膝盖处、双脚脚踝处。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法，其特征在于，步骤3的具体方法为：

超声波短基线阵列由4个声波传感器1号到4号组成，成正方形顺时针排列，4个声波传感器在同一个空间平面S1上，在S1平面上创建平面坐标系，以4个声波传感器的中心点作为原点，规定1号声波传感器在第二象限，2号声波传感器在第一象限，3号声波传感器在第四象限，4号声波传感器在第三象限，传感器之间的空间间隔为R；

当一个超声波全向声源发射出超声波时，简化的将声源发出的声波看作平行声波，其入射角度与S1平面夹角为β，其在S1平面上投影与纵轴夹角为α，以0＜α＜90°为例，4号声波传感器最先接收到声波信号，以4号声波传感器时延为0作为基准，可得到1号-3号声波传感器的接收时延长度分别为Dy1、Dy2、Dy3，其在S1平面上的投影长度分别为Dy1′、Dy2′、Dy3′，计算公式如下：

定义收敛判据如下：

Dy1′+Dy3′＝Dy2′ 式1-2

即：Dy1′、Dy2′、Dy3′必须满足上述等式才能判定其收敛，才认定所接收的超声波信号有效；

另外，Dy1′、Dy2′、Dy3′，α，β满足如下等式关系：

Dy1′＝R cosα 式1-3

Dy3′＝R sinα 式1-4

Dy1²+Dy3²＝R² 式1-5

得到α，β描述等式如下：

至此，确定超声波的入射方向。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法，其特征在于，步骤5.1中，空间两直线近似交点计算方法的具体方法为：

取传感器阵列的中心点(x1，y1，z1)作为起点，通过短基线阵列定向算法所计算出的入射偏角α和β可计算出沿着该入射方向单位长度后的空间坐标点为(x2，y2，z2)，以此类推，(x3，y3，z3)，(x4，y4，z4)定义为另一个超声波短基线阵列平面S2的中心点和沿着其入射方向单位长度后的空间坐标点，因此定义L1为由面S1测量的超声波发生器的方向直线，L2为由面S2测量的超声波发生器的方向直线，其中L1和L2的一般参数方程如下：

其中，s和t为实数，在L1取一点P(X，Y，Z)，在L2取一点Q(U，V，W)，则P和Q之间的距离PQ满足下列等式关系：

求取二元函数f(s，t)的最小值等价于对f(s，t)分别求关于s，t的偏导数，并令偏导数为0，结果如下：

其中，令：

可简化偏导方程为：

可得s，t，P，Q结果如下：

取P和Q的中点作为L1和L2的近似交点V，表示等式如下：

至此，得到2条超声波入射空间直线的近似交点。

6.根据权利要求1所述的一种基于超声波短基线阵列的人体姿态捕获及定位方法，其特征在于，超声波短基线阵列包括FPGA运算芯片、AD同步采样芯片和4路超声波传感器。