專利名稱：運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取、人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤方法及相關(guān)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)械(MEMQ領(lǐng)域，尤其涉及一種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取、人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤方法及相關(guān)設(shè)備。
背景技術(shù)：
運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)追蹤技術(shù)，已廣泛運(yùn)用于各領(lǐng)域，尤其在航天航海、天線雷達(dá)、人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)建模等領(lǐng)域。近年，隨著MEMS的迅速發(fā)展，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤技術(shù)逐漸融合進(jìn)MEMS 的理念，將運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤所需的測(cè)量部件微型化、集成化，形成集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路等于一體的微型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤設(shè)備。這些設(shè)備具有成本低、體積小、重量輕等特點(diǎn)，因而廣受人們青睞。運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)追蹤需要首先獲得運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有技術(shù)中，常用微型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取設(shè)備來(lái)收集姿態(tài)數(shù)據(jù)，該設(shè)備主要集成有陀螺儀器件，將該設(shè)備安裝于目標(biāo)物體上后，處于工作狀態(tài)的陀螺儀傳感器將收集運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)(橫滾角、俯仰角、航向角)。運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)獲得后即可利用該數(shù)據(jù)對(duì)該運(yùn)動(dòng)物體的虛擬模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)時(shí)再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)追蹤。在進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤時(shí)，多個(gè)集成有陀螺儀器件的微型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取設(shè)備綁定在人體的主要關(guān)節(jié)部位，通過(guò)這些器件收集人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后利用這些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人體模型相應(yīng)部位運(yùn)動(dòng)，并用3D畫面直觀地顯示出人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤。然而，陀螺儀器件測(cè)量的運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)數(shù)據(jù)具有誤差，必須進(jìn)行修正后才能真實(shí)地反應(yīng)出運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。這種誤差產(chǎn)生的大致過(guò)程是陀螺儀器件直接測(cè)量的數(shù)據(jù)為角速度，該角速度值為瞬間量，大多數(shù)情況下不能直接使用，而需要對(duì)該角速度進(jìn)行時(shí)間積分，得到角度變化量，然后加上初始角度作為最后的角度值才是運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)，這種積分過(guò)程積分時(shí)間(dt)越小，得到的角度值越準(zhǔn)確，由于陀螺儀測(cè)量基準(zhǔn)是其自身而非外在的絕對(duì)參照物，加之積分時(shí)間(dt)不可能無(wú)限縮小，積分的累積誤差將隨時(shí)間推移迅速增加，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)發(fā)生偏差。一種解決陀螺儀積分累積誤差的方法是在運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤設(shè)備中增加加速度傳感器，用于測(cè)量重力方向的加速度數(shù)值， 在無(wú)外力加速度情況下，可較為準(zhǔn)確地輸出運(yùn)動(dòng)物體的橫滾角和俯仰角，如果有外力加速作用，通過(guò)具有遞歸自回歸濾波功能的卡爾曼濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最后得出運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)。但是，由于加速度測(cè)量的重力方向與航向角正交，無(wú)法用加速度傳感器消除水平方向的陀螺儀累積誤差，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的航向角數(shù)據(jù)與實(shí)際值不相符合，進(jìn)而在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體追蹤時(shí)不能準(zhǔn)確地追蹤運(yùn)動(dòng)物體。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明在現(xiàn)有系統(tǒng)中增加地磁場(chǎng)傳感器件，通過(guò)將該傳感器件收集到的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)作為觀測(cè)值輸入遞歸自回歸單元中進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，利用遞歸自回歸單元的遞歸收斂功能消除角速度儀在水平方向的累積誤差，得到最優(yōu)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而較好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體的追蹤。本發(fā)明提供的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取方法包括記錄運(yùn)動(dòng)物體處于第一測(cè)量航向角時(shí)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第一磁場(chǎng)強(qiáng)度，所述第一測(cè)量航向角的數(shù)值與所述運(yùn)動(dòng)物體的真實(shí)航向角的數(shù)值相同；當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)至第二測(cè)量航向角時(shí)，將所述運(yùn)動(dòng)物體所在位置對(duì)應(yīng)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向回轉(zhuǎn)α角度，所述α的數(shù)值為第二測(cè)量航向角與第一測(cè)量航向角之差，記錄回轉(zhuǎn) α角度后的位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第二磁場(chǎng)強(qiáng)度；將所述第一磁場(chǎng)強(qiáng)度與第二磁場(chǎng)強(qiáng)度按照預(yù)設(shè)規(guī)則運(yùn)算后得到磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量；將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與所述運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波，得到所述運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，所述第一測(cè)量航向角為零度航向角。優(yōu)選地，在將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與運(yùn)動(dòng)物體測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波時(shí)，所述方法還包括分別提取所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量和測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)變化率和超量程時(shí)間百分比；將所述數(shù)據(jù)變化率與超量程時(shí)間百分比相乘分別得到第一動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)和第二動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)；將所述第一動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)乘以獲取所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的觀測(cè)噪聲協(xié)方差得到更新后的觀測(cè)噪聲協(xié)方差，并將所述第二動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)乘以所述測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì)噪聲協(xié)方差得到更新后的激勵(lì)噪聲協(xié)方差；將所述更新后的觀測(cè)噪聲協(xié)方差和激勵(lì)噪聲協(xié)方差反饋給所述遞歸自回歸濾波過(guò)程。優(yōu)選地，所述運(yùn)動(dòng)物體磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與運(yùn)動(dòng)物體測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)的遞歸自回歸濾波為卡爾曼濾波。本發(fā)明提供的一種人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤方法包括記錄人體運(yùn)動(dòng)部位處于第一測(cè)量航向角時(shí)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第一磁場(chǎng)強(qiáng)度，所述第一測(cè)量航向角的數(shù)值與所述運(yùn)動(dòng)物體的真實(shí)航向角的數(shù)值相同；當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)部位運(yùn)動(dòng)至第二測(cè)量航向角時(shí)，將所述人體運(yùn)動(dòng)部位所在位置對(duì)應(yīng)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向回轉(zhuǎn)α角度，所述α的數(shù)值為第二測(cè)量航向角與第一測(cè)量航向角之差， 記錄回轉(zhuǎn)α角度后的位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第二磁場(chǎng)強(qiáng)度；將所述第一磁場(chǎng)強(qiáng)度與第二磁場(chǎng)強(qiáng)度按照預(yù)設(shè)規(guī)則運(yùn)算后得到磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量；將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與所述人體運(yùn)動(dòng)部位的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波得到所述人體運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)；將所述人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給姿態(tài)數(shù)據(jù)處理中心，由該處理中心使用所述數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人體模型的相應(yīng)部位運(yùn)動(dòng)，并將人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)虛擬再現(xiàn)出來(lái)。優(yōu)選地，所述將人體各部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給姿態(tài)數(shù)據(jù)處理中心包括無(wú)線傳輸。本發(fā)明提供的一種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取裝置包括測(cè)量單元、地磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感單元和遞歸自回歸濾波單元，所述測(cè)量單元、地磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感單元分別與遞歸自回歸濾波單元電連接，其中所述測(cè)量單元，用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)；所述地磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感單元，用于記錄運(yùn)動(dòng)物體處于第一測(cè)量航向角時(shí)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第一磁場(chǎng)強(qiáng)度，所述第一測(cè)量航向角的數(shù)值與所述運(yùn)動(dòng)物體的真實(shí)航向角的數(shù)值相同；當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)至第二測(cè)量航向角時(shí)，將所述運(yùn)動(dòng)物體所在位置對(duì)應(yīng)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向回轉(zhuǎn)α角度，所述α的數(shù)值為所述第二測(cè)量航向角與第一測(cè)量航向角之差，記錄回轉(zhuǎn)α角度后的位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第二磁場(chǎng)強(qiáng)度；將所述第一磁場(chǎng)強(qiáng)度與第二磁場(chǎng)強(qiáng)度按照預(yù)設(shè)規(guī)則運(yùn)算后得到磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量；所述遞歸自回歸濾波單元，用于將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與所述運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波得到所述運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，所述第一測(cè)量航向角為零度航向角。優(yōu)選地，所述裝置進(jìn)一步包括動(dòng)態(tài)調(diào)整單元，用于將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與運(yùn)動(dòng)物體測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波時(shí)，分別統(tǒng)計(jì)分析所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量和測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)變化率和超量程時(shí)間百分比；將所述數(shù)據(jù)變化率與超量程時(shí)間百分比相乘分別得到第一動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)和第二動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)；將所述第一動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)乘以獲取所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的觀測(cè)噪聲協(xié)方差得到更新后的觀測(cè)噪聲協(xié)方差；將所述第二動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)乘以所述測(cè)量姿態(tài)時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì)噪聲協(xié)方差得到更新后的激勵(lì)噪聲協(xié)方差；將所述更新后的觀測(cè)噪聲協(xié)方差和激勵(lì)噪聲協(xié)方差反饋給所述遞歸自回歸濾波過(guò)程。優(yōu)選地，所述遞歸自回歸濾波單元為卡爾曼濾波器。本發(fā)明提供的一種人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤系統(tǒng)包括至少一個(gè)人體運(yùn)動(dòng)部位姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取裝置、發(fā)送模塊、接收模塊、人體姿態(tài)重構(gòu)模塊和人體姿態(tài)呈現(xiàn)模塊，其中所述人體運(yùn)動(dòng)部位姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取裝置，用于收集人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)后將該數(shù)據(jù)傳輸給發(fā)送模塊；該裝置包括測(cè)量單元、地磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感單元和遞歸自回歸濾波單元，所述測(cè)量單元、地磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感單元分別與遞歸自回歸濾波單元電連接，其中所述測(cè)量單元，用于測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)；所述地磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感單元，用于記錄人體運(yùn)動(dòng)部位處于第一航向角時(shí)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第一磁場(chǎng)強(qiáng)度，所述第一測(cè)量航向角的數(shù)值與所述運(yùn)動(dòng)物體的真實(shí)航向角的數(shù)值相同；當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)部位運(yùn)動(dòng)至第二測(cè)量航向角時(shí)，將所述運(yùn)動(dòng)物體所在位置對(duì)應(yīng)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向回轉(zhuǎn)α角度，所述α的數(shù)值為第二測(cè)量航向角與第一測(cè)量航向角之差，記錄回轉(zhuǎn)α角度后的位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第二磁場(chǎng)強(qiáng)度；將第一磁場(chǎng)強(qiáng)度與第二磁場(chǎng)強(qiáng)度按照預(yù)設(shè)規(guī)則運(yùn)算后得到磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量；所述遞歸自回歸濾波單元，用于將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與所述人體運(yùn)動(dòng)部位的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波得到所述人體運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)；所述發(fā)送模塊，用于將所述人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取裝置獲取的人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給所述人體姿態(tài)重構(gòu)模塊；所述接收模塊，用于接收所述人體運(yùn)動(dòng)部位姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取裝置的人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)；所述人體姿態(tài)重構(gòu)模塊，將接收模塊接收的人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)人體模型相應(yīng)部位運(yùn)動(dòng)；所述人體姿態(tài)呈現(xiàn)模塊，用于虛擬再現(xiàn)人體的運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選地，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括第一無(wú)線通信單元和第二無(wú)線通信單元，所述發(fā)送模塊通過(guò)第一無(wú)線通信單元將所述人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給所述人體姿態(tài)重構(gòu)模塊；所述接收模塊通過(guò)第二無(wú)線通信單元接收所述人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取裝置獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述第一無(wú)線通信單元集成于所述姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊內(nèi)；所述第二無(wú)線通信單元集成于所述姿態(tài)數(shù)據(jù)接收模塊內(nèi)。本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上引入磁場(chǎng)強(qiáng)度，將磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)作為觀測(cè)值與運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)的先驗(yàn)估計(jì)值進(jìn)行遞歸自回歸濾波，利用遞歸自回歸濾波過(guò)程的遞歸收斂功能消除陀螺儀水平方向的累積誤差，由此得到較為準(zhǔn)確的航向角數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)追蹤。


圖1為本發(fā)明的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)收集采用的坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明的方法實(shí)施例1的流程圖；圖3為本發(fā)明的方法實(shí)施例2的卡爾曼濾波過(guò)程示意圖；圖4為本發(fā)明的方法實(shí)施例4遞歸自回歸濾波過(guò)程的動(dòng)態(tài)調(diào)整示意圖；圖5為本發(fā)明的裝置實(shí)施例5的組成框圖；圖6為本發(fā)明的裝置實(shí)施例6的動(dòng)態(tài)調(diào)整單元的組成框圖；圖7為本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)施例7的組成框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的主要思想是在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上收集地磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)作為觀測(cè)值與運(yùn)動(dòng)物體測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波，利用遞歸自回歸濾波過(guò)程的遞歸收斂功能消除陀螺儀水平方向的累積誤差，由此得到較為準(zhǔn)確的航向角數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)追蹤。磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)與運(yùn)動(dòng)物體測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)的遞歸自回歸濾波有多種實(shí)現(xiàn)方式，本發(fā)明優(yōu)選使用具有遞歸自回歸濾波功能的卡爾曼濾波方法進(jìn)行該處理過(guò)程。為便于詳細(xì)闡釋本發(fā)明的技術(shù)方案，先對(duì)卡爾曼濾波的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹?？柭鼮V波是一種遞歸自回歸數(shù)據(jù)處理算法，它通過(guò)反饋控制的方法估計(jì)過(guò)程狀態(tài)，對(duì)每次輸出的狀態(tài)結(jié)果進(jìn)行循環(huán)修正，直至得到最優(yōu)的過(guò)程狀態(tài)數(shù)據(jù)?？柭鼮V波可分成兩個(gè)循環(huán)過(guò)程時(shí)間更新過(guò)程和測(cè)量更新過(guò)程，前者負(fù)責(zé)及時(shí)向前推算當(dāng)前狀態(tài)變量和誤差協(xié)方差的估計(jì)值以構(gòu)造下一個(gè)時(shí)間狀態(tài)的先驗(yàn)估計(jì)；后者將先驗(yàn)估計(jì)和測(cè)量變量結(jié)合以構(gòu)造改進(jìn)的后驗(yàn)估計(jì)；時(shí)間更新過(guò)程可視為預(yù)估過(guò)程，測(cè)量更新過(guò)程可視為校正過(guò)程，整個(gè)估計(jì)算法實(shí)質(zhì)是一種具有數(shù)值解的預(yù)估-校正算法?？柭鼮V波過(guò)程可用如下的五個(gè)公式表達(dá)。公式1 由前一時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)現(xiàn)在時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)X (k |k-l) = AX(k-l |k-l)+BU(k)式中，X(k|k-1)是利用系統(tǒng)(k-Ι)時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，稱為先驗(yàn)估計(jì)，X(k-1 Ik-I)是(k-Ι)時(shí)刻系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)值，U(k)是k時(shí)刻的系統(tǒng)控制輸入量，A、B是系統(tǒng)參數(shù)，分別表示系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和外部激勵(lì)輸入矩陣。
公式2 由前一時(shí)刻系統(tǒng)誤差協(xié)方差估計(jì)現(xiàn)在時(shí)刻的系統(tǒng)誤差協(xié)方差P (k |k-l) = AP(k-l |k-l)AT+Q式中，P(k|k-1)是利用系統(tǒng)(k-Ι)時(shí)刻的誤差協(xié)方差估計(jì)的k時(shí)刻的系統(tǒng)誤差協(xié)
方差，Q是激勵(lì)噪聲協(xié)方差。根據(jù)公式1得到的系統(tǒng)k時(shí)刻的先驗(yàn)估計(jì)值X(k|k-1)，再結(jié)合k時(shí)刻的測(cè)量值 Z(k)即可推算出k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)最優(yōu)值χ(k|k)，推算公式為公式3 由先驗(yàn)估計(jì)值和測(cè)量值推算系統(tǒng)狀態(tài)最優(yōu)值
X(k|k) = X (k I k-1) +K (k) [ζ (k) -HX (k I k-i)]其中H為矩陣，是系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)，表示狀態(tài)變量增益，H矩陣把觀測(cè)變量和狀態(tài)變量關(guān)聯(lián)起來(lái)；K(k)為卡爾曼增益，由公式4得到K (k) =P (k I k-1) Ht [HP (k I k-1) HT+R]式中的R為觀測(cè)噪聲協(xié)方差。公式5 由構(gòu)造先驗(yàn)估計(jì)產(chǎn)生的估計(jì)協(xié)方差與卡爾曼增益推算將用于k+Ι時(shí)刻的誤差協(xié)方差P (k I k) = [I-K (k) H] P (k I k-1)式中，I為矩陣，對(duì)于單模型單測(cè)量，1 = 1。為使本領(lǐng)域技術(shù)人員能進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征及技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。實(shí)施例一實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體追蹤需要知道運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)的參數(shù)描述(即運(yùn)動(dòng)物體在參考空間中的方位)。運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)通常通過(guò)與運(yùn)動(dòng)物體相固接的運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系OXJJc與定參考坐標(biāo)系OXYZ之間的夾角表示。兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)均取在運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)心，定參考坐標(biāo)系X軸水平指向東，Y軸水平指向北，Z軸垂直地面指向天頂；與運(yùn)動(dòng)物體相固接的運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系的\垂直運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)方向指向右，Yc軸沿著運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)方向指向前方，Zc沿運(yùn)動(dòng)物體縱軸指向上方。定參考坐標(biāo)系與運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系的關(guān)系如圖1所示。假設(shè)運(yùn)動(dòng)物體坐標(biāo)系初始時(shí)與定參考坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，根據(jù)上述定義，運(yùn)動(dòng)物體的任意姿態(tài)均可通過(guò)下述三次轉(zhuǎn)動(dòng)得到(1)繞Y軸旋轉(zhuǎn)俯仰角θ ； (2)繞X軸旋轉(zhuǎn)橫滾角ψ ； (3)繞Z軸旋轉(zhuǎn)航向角Φ。 由此，要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)追蹤只需獲得上述三個(gè)數(shù)據(jù)即可。三軸陀螺儀可用于測(cè)量這些數(shù)據(jù)，但是如前所述陀螺儀存在誤差問(wèn)題，測(cè)出的運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)數(shù)據(jù)(θ、Ψ、φ)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)偏離真實(shí)數(shù)值。在此基礎(chǔ)上加入三軸加速度計(jì)可一定程度上消除陀螺儀測(cè)得的俯仰角 θ和橫滾角Ψ兩個(gè)方面的累積誤差。上述使用三軸陀螺儀收集數(shù)據(jù)定位運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)的方法稱為“三自由度定位法”，使用三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)收集數(shù)據(jù)定位運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)的方法稱為“六自由度定位法”。采用“六自由度定位法”盡管可以消除陀螺儀自身旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的部分誤差，但消除不了水平方向的累積誤差，即航向角Φ會(huì)在運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量過(guò)程中逐漸偏離真實(shí)值。本實(shí)施例在此基礎(chǔ)上引入磁場(chǎng)儀，用于測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度，并將該磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)作為觀測(cè)值輸入遞歸自回歸濾波器中修正運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而減少和消除陀螺儀的累積誤差，得到較為準(zhǔn)確的姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體的追蹤。參見(jiàn)附圖2，本實(shí)施例給出的運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取方法包括步驟101 記錄運(yùn)動(dòng)物體處于第一測(cè)量航向角時(shí)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第一磁場(chǎng)強(qiáng)度，所述第一測(cè)量航向角的數(shù)值與所述運(yùn)動(dòng)物體的真實(shí)航向角的數(shù)值相同；這里的第一測(cè)量航向角為基準(zhǔn)航向角，在此位置角速度儀積分得出的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)中的航向角Φ與真實(shí)的航向角數(shù)值不發(fā)生偏差；該基準(zhǔn)航向角通常選用零度航向角，實(shí)際上也可以是其他可以預(yù)先校準(zhǔn)的航向角，只要保證角速度傳感儀測(cè)量的航向角和實(shí)際航向角數(shù)值一致即可。步驟102 當(dāng)所述運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)至第二測(cè)量航向角時(shí)，將所述運(yùn)動(dòng)物體所在位置對(duì)應(yīng)的地磁場(chǎng)的方向回轉(zhuǎn)α角度，所述α的數(shù)值為第二測(cè)量航向角與第一測(cè)量航向角之差，記錄回轉(zhuǎn)α角度后的位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第二磁場(chǎng)強(qiáng)度；第二測(cè)量航向角是角速度傳感儀測(cè)得的航向角，該航向角由于角速度傳感儀工作時(shí)的積分過(guò)程使得該測(cè)量航向角的數(shù)值與該位置的真實(shí)航向角的數(shù)值發(fā)生偏差；磁場(chǎng)傳感儀可以客觀地記錄運(yùn)動(dòng)物體所在位置的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括該位置磁場(chǎng)強(qiáng)度大小和磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向，得到該位置所在地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向后將該方向回轉(zhuǎn)一定角度，這個(gè)角度是上述兩個(gè)測(cè)量航向角數(shù)值之差，由于第二測(cè)量航向角和實(shí)際的航向角有偏差，旋轉(zhuǎn)回去后必定與第一測(cè)量航向角有偏離，該偏離程度即可反應(yīng)角速度傳感儀積分導(dǎo)致的累積誤差。步驟103 將所述第一磁場(chǎng)強(qiáng)度與第二磁場(chǎng)強(qiáng)度作差，得到磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量；上述兩個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度求差結(jié)果可以衡量角速度傳感儀水平方向累積誤差，實(shí)際上， 除作差方式外，也可以采用其他運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行兩個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的處理，比如求平方差、均方差等均可實(shí)現(xiàn)衡量誤差的目的。步驟104 將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與所述運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波得到所述運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)；所述運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)是角速度傳感儀積分得到的運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)， 該數(shù)據(jù)在進(jìn)行本實(shí)施例所述步驟之前已經(jīng)由加速度傳感儀消除了橫滾角和俯仰角的誤差。本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上引入磁場(chǎng)強(qiáng)度，以第一測(cè)量航向角時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為基準(zhǔn)，將處于第二測(cè)量航向角的運(yùn)動(dòng)物體所在位置對(duì)應(yīng)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向旋轉(zhuǎn)回一定角度后記錄該位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后將上述兩個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度求差值得到磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量，進(jìn)而使用該磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量輸入遞歸自回歸濾波單元進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，融合過(guò)程修正了角速度傳感儀積分得到的運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)數(shù)據(jù)，消除了水平方向的累積誤差。實(shí)施例二上述實(shí)施例步驟104中提到遞歸自回歸濾波的數(shù)據(jù)融合過(guò)程，實(shí)際上，運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)數(shù)據(jù)與磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)之間進(jìn)行遞歸自回歸濾波的具體實(shí)現(xiàn)方式有多種，本發(fā)明優(yōu)選采用卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)該過(guò)程。參見(jiàn)附圖3，卡爾曼濾波方法的數(shù)據(jù)融合過(guò)程為運(yùn)動(dòng)物體Μ，在k-Ι時(shí)刻的姿態(tài)參數(shù)用四元數(shù)表示，四元數(shù)是利用一種超復(fù)數(shù)來(lái)等效反應(yīng)向量轉(zhuǎn)動(dòng)。任何一個(gè)向量均可表示為一個(gè)實(shí)部與復(fù)數(shù)復(fù)合的四元數(shù)，比如 q = w + ix + jy + kz (其中w為常量)，該式子中的參量滿足如下關(guān)系q = [w χ y ζ]2I q 12 = w2+x2+y2+z2 = 1運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)的四元數(shù)構(gòu)造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自于三軸角速度傳感儀的測(cè)量數(shù)據(jù)。將測(cè)量得到的運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)的三個(gè)參數(shù)(θ、Ψ、φ)任意一個(gè)代入如下公式中即可構(gòu)造一個(gè)四元數(shù)
w = cos (α /2)χ = sin (α/2) cos(3x)y = sin (α/2) cos(3y)ζ = sin (α/2) cos (β z)其中α是運(yùn)動(dòng)物體繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度，Cos(^x), cos(^y)cos(^z)為上述姿態(tài)參數(shù)在各個(gè)軸向的分量。運(yùn)動(dòng)物體M在k-Ι時(shí)刻的狀態(tài)用四元數(shù)進(jìn)行刻化(Ci1k^1， Q2k-Hk-I' Q3k-Hk-!. qVi|k-i) ^三軸陀螺儀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)因各種原因存在誤差引起測(cè)量值偏置，三軸陀螺儀三個(gè)測(cè)量方向的偏置估計(jì)為(『Ι-Μ,ΡΙ^Μ—υ。由運(yùn)動(dòng)物體三維姿態(tài)數(shù)據(jù)和對(duì)該數(shù)據(jù)的偏置估計(jì)共同構(gòu)成狀態(tài)變量，即本實(shí)施例中狀態(tài)向量 x(k-i|k-i)為七維向量，該狀態(tài)變量在首次進(jìn)行卡爾曼濾波時(shí)的初始數(shù)值可任意選取，因?yàn)榭柭鼮V波過(guò)程具有遞歸收斂功能，任意選取的初始狀態(tài)對(duì)卡爾曼濾波的輸出結(jié)果并不產(chǎn)生有意義的影響。由此，根據(jù)卡爾曼濾波的公式1，可以估計(jì)出運(yùn)動(dòng)物體M在k時(shí)刻的狀態(tài)X (k I k-1) = x(k|k-l) =AX(k-l|k-l)+BU(k)，即先驗(yàn)估計(jì)。構(gòu)造先驗(yàn)估計(jì)的過(guò)程本身不可能絕對(duì)準(zhǔn)確，這種不確定性大小一方面由于陀螺儀自身的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的數(shù)值偏離和漂移引起，一方面由先驗(yàn)估計(jì)中引入的激勵(lì)噪聲引起。這些偏差使用誤差協(xié)方差表示，因此，接下來(lái)需要估計(jì)系統(tǒng)誤差協(xié)方差以用于計(jì)算卡爾曼增益，進(jìn)而用于更新?tīng)顟B(tài)變量。根據(jù)卡爾曼濾波的公式 2，推算出k時(shí)刻的系統(tǒng)誤差協(xié)方差P (k I k-1) =P(k|k-l) = AP(k-l|k-l)AT+Q。該誤差協(xié)方差值在首次進(jìn)行卡爾曼濾波器時(shí)可以任意選取，因?yàn)榭柭鼮V波遞歸收斂功能，任意選取的初始狀態(tài)對(duì)卡爾曼濾波器的輸出結(jié)果并不產(chǎn)生有意義的影響。得到k時(shí)刻的誤差協(xié)方差后，結(jié)合磁傳感器數(shù)值時(shí)的觀測(cè)噪聲誤差協(xié)方差，根據(jù)卡爾曼濾波的公式4可計(jì)算出卡爾曼增益K(k) zpaik-DHKHPGclk-Dtf+Rr1。獲取k時(shí)刻的卡爾曼增益K(k)后，將磁傳感器獲取的磁場(chǎng)向量的觀測(cè)值z(mì)(k)代入卡爾曼濾波公式3中即可更新?tīng)顟B(tài)變量X(k|k) = x(k|k) =X(k|k-l)+K(k)[Z(k)-HX(k|k-l)]。到此，已完成卡爾曼濾波的一次循環(huán)，得到了進(jìn)過(guò)修正的運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)數(shù)據(jù)。但是為了進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，還需要更新系統(tǒng)的誤差協(xié)方差，即根據(jù)卡爾曼濾波的公式5推算用于k+Ι時(shí)刻的誤差協(xié)防差P(k|k) = [I-K(k)H] ρ (k I k-i)。上面的過(guò)程不斷循環(huán)，通過(guò)磁場(chǎng)傳感儀獲得的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)不斷地對(duì)角速度傳感儀積分輸出的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋修正，由角速度傳感儀積分產(chǎn)生的水平方向累積誤差被消除，運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)的航向角數(shù)與真實(shí)值接近。實(shí)施例三上述實(shí)施例中，狀態(tài)變量中的運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)參數(shù)描述使用的是四元數(shù)表示法。實(shí)際上對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)參數(shù)可直接使用歐拉角表示，甚至其他表示方法，不同的表示方法僅僅是形式上不同，通過(guò)數(shù)學(xué)規(guī)則這些表示方法均是可以相互轉(zhuǎn)換的。下面給出四元數(shù)與歐拉角之間的轉(zhuǎn)換公式。四元數(shù)到歐拉角的轉(zhuǎn)換公式
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取方法，其特征在于，該方法包括記錄運(yùn)動(dòng)物體處于第一測(cè)量航向角時(shí)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第一磁場(chǎng)強(qiáng)度，所述第一測(cè)量航向角的數(shù)值與所述運(yùn)動(dòng)物體的真實(shí)航向角的數(shù)值相同；當(dāng)所述運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)至第二測(cè)量航向角時(shí)，將所述運(yùn)動(dòng)物體所在位置對(duì)應(yīng)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向回轉(zhuǎn)α角度，所述α的數(shù)值為第二測(cè)量航向角與第一測(cè)量航向角之差，記錄回轉(zhuǎn) α角度后的位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第二磁場(chǎng)強(qiáng)度；將所述第一磁場(chǎng)強(qiáng)度與第二磁場(chǎng)強(qiáng)度按照預(yù)設(shè)規(guī)則運(yùn)算后得到磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量； 將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與所述運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波，得到所述運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一測(cè)量航向角為零度航向角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與運(yùn)動(dòng)物體測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波時(shí)，所述方法還包括分別統(tǒng)計(jì)分析所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量和測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)得到數(shù)據(jù)變化率和超量程時(shí)間百分比；將所述數(shù)據(jù)變化率與超量程時(shí)間百分比相乘分別得到第一動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)和第二動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)；將所述第一動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)乘以獲取所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的觀測(cè)噪聲協(xié)方差得到更新后的觀測(cè)噪聲協(xié)方差，并將所述第二動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)乘以所述測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì)噪聲協(xié)方差得到更新后的激勵(lì)噪聲協(xié)方差；將所述更新后的觀測(cè)噪聲協(xié)方差和激勵(lì)噪聲協(xié)方差反饋給所述遞歸自回歸濾波過(guò)程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)物體磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與運(yùn)動(dòng)物體測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)的遞歸自回歸濾波為卡爾曼濾波。
5.一種人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤的方法，其特征在于，該方法包括記錄人體運(yùn)動(dòng)部位處于第一測(cè)量航向角時(shí)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第一磁場(chǎng)強(qiáng)度，所述第一測(cè)量航向角的數(shù)值與所述運(yùn)動(dòng)物體的真實(shí)航向角的數(shù)值相同；當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)部位運(yùn)動(dòng)至第二測(cè)量航向角時(shí)，將所述人體運(yùn)動(dòng)部位所在位置對(duì)應(yīng)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向回轉(zhuǎn)α角度，所述α的數(shù)值為第二測(cè)量航向角與第一測(cè)量航向角之差，記錄回轉(zhuǎn)α角度后的位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第二磁場(chǎng)強(qiáng)度；將所述第一磁場(chǎng)強(qiáng)度與第二磁場(chǎng)強(qiáng)度按照預(yù)設(shè)規(guī)則運(yùn)算后得到磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量； 將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與所述人體運(yùn)動(dòng)部位的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波，得到所述人體運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)；將所述人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給姿態(tài)數(shù)據(jù)處理中心，由該處理中心使用所述數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人體模型的相應(yīng)部位運(yùn)動(dòng)，并將人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)虛擬再現(xiàn)出來(lái)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述將人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給姿態(tài)數(shù)據(jù)處理中心包括無(wú)線傳輸。
7.—種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取裝置，其特征在于，該裝置包括測(cè)量單元、地磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感單元和遞歸自回歸濾波單元，所述測(cè)量單元、地磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感單元分別與遞歸自回歸濾波單元電連接，其中所述測(cè)量單元，用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)；所述地磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感單元，用于記錄運(yùn)動(dòng)物體處于第一測(cè)量航向角時(shí)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度， 該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第一磁場(chǎng)強(qiáng)度，所述第一測(cè)量航向角的數(shù)值與所述運(yùn)動(dòng)物體的真實(shí)航向角的數(shù)值相同；當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)至第二測(cè)量航向角時(shí)，將所述運(yùn)動(dòng)物體所在位置對(duì)應(yīng)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向回轉(zhuǎn)α角度，所述α的數(shù)值為所述第二測(cè)量航向角與第一測(cè)量航向角之差，記錄返回α角度后的位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第二磁場(chǎng)強(qiáng)度；將所述第一磁場(chǎng)強(qiáng)度與第二磁場(chǎng)強(qiáng)度按照預(yù)設(shè)規(guī)則運(yùn)算后得到磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量；所述遞歸自回歸濾波單元，用于將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與所述運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波得到所述運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述第一測(cè)量航向角為零度航向角。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述裝置進(jìn)一步包括動(dòng)態(tài)調(diào)整單元，用于將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與運(yùn)動(dòng)物體測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波時(shí)，分別統(tǒng)計(jì)分析所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量和測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)得到數(shù)據(jù)變化率和超量程時(shí)間百分比；將所述數(shù)據(jù)變化率與超量程時(shí)間百分比相乘分別得到第一動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)和第二動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)；將所述第一動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)乘以獲取所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的觀測(cè)噪聲協(xié)方差得到更新后的觀測(cè)噪聲協(xié)方差，并將所述第二動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)乘以所述測(cè)量姿態(tài)時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì)噪聲協(xié)方差得到更新后的激勵(lì)噪聲協(xié)方差；將所述更新后的觀測(cè)噪聲協(xié)方差和激勵(lì)噪聲協(xié)方差反饋給所述遞歸自回歸濾波過(guò)程。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述遞歸自回歸濾波單元為卡爾曼濾波器。
11.一種人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少一個(gè)人體運(yùn)動(dòng)部位姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取裝置、發(fā)送模塊、接收模塊、人體姿態(tài)重構(gòu)模塊和人體姿態(tài)呈現(xiàn)模塊，其中所述人體運(yùn)動(dòng)部位姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取裝置，用于收集人體運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)后將該數(shù)據(jù)傳輸給發(fā)送模塊；該裝置包括測(cè)量單元、磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感單元和遞歸自回歸濾波單元，所述測(cè)量單元、磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感單元分別與遞歸自回歸濾波單元電連接，其中所述測(cè)量單元，用于測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)；所述地磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感單元，用于記錄人體運(yùn)動(dòng)部位處于第一航向角時(shí)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度， 該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第一磁場(chǎng)強(qiáng)度，所述第一測(cè)量航向角的數(shù)值與所述運(yùn)動(dòng)物體的真實(shí)航向角的數(shù)值相同；當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)部位運(yùn)動(dòng)至第二測(cè)量航向角時(shí)，將所述運(yùn)動(dòng)物體所在位置對(duì)應(yīng)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向回轉(zhuǎn)α角度，所述α的數(shù)值為第二測(cè)量航向角與第一測(cè)量航向角之差，記錄回轉(zhuǎn)α角度后的位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，該地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第二磁場(chǎng)強(qiáng)度；將所述第一磁場(chǎng)強(qiáng)度與第二磁場(chǎng)強(qiáng)度按照預(yù)設(shè)規(guī)則運(yùn)算后得到磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量；所述遞歸自回歸濾波單元，用于將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與所述人體運(yùn)動(dòng)部位的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波，得到所述人體運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)；所述發(fā)送模塊，用于將所述人體運(yùn)動(dòng)部位姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取裝置獲取的人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給所述人體姿態(tài)重構(gòu)模塊；所述接收模塊，用于接收所述人體運(yùn)動(dòng)部位姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取裝置的人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)；所述人體姿態(tài)重構(gòu)模塊，將所述接收模塊接收的人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)人體模型相應(yīng)部位運(yùn)動(dòng)；所述人體姿態(tài)呈現(xiàn)模塊，用于虛擬再現(xiàn)人體的運(yùn)動(dòng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括第一無(wú)線通信單元和第二無(wú)線通信單元，所述發(fā)送模塊通過(guò)第一無(wú)線通信單元將所述人體各運(yùn)動(dòng)部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給所述人體姿態(tài)重構(gòu)模塊；所述接收模塊通過(guò)第二無(wú)線通信單元接收所述人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取裝置獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一無(wú)線通信單元集成于所述發(fā)送模塊內(nèi)；所述第二無(wú)線通信單元集成于所述接收模塊內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取方法包括記錄運(yùn)動(dòng)物體處于第一測(cè)量航向角時(shí)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第一磁場(chǎng)量；當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)至第二測(cè)量航向角時(shí)，將運(yùn)動(dòng)物體所在位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向回轉(zhuǎn)第二測(cè)量航向角與第一測(cè)量航向角差值大小的角度，并記錄該位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度作為第二磁場(chǎng)向量；將第一磁場(chǎng)強(qiáng)度與第二磁場(chǎng)強(qiáng)度按照預(yù)設(shè)規(guī)則運(yùn)算后得到磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量；將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)量與所述運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸自回歸濾波，得到所述運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)。本發(fā)明還提供了一種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取裝置以及一種人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤方法與系統(tǒng)。本發(fā)明引入地磁場(chǎng)強(qiáng)度，解決了角速度測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的累積誤差問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01C21/08GK102252676SQ201110116679
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月6日
發(fā)明者周尤, 趙鐵軍 申請(qǐng)人:微邁森慣性技術(shù)開(kāi)發(fā)(北京)有限公司