[发明专利]一种人体三维姿态和行为状态传感监测方法与装置

权利要求书

1.一种人体三维姿态和行为状态传感检测方法，其特征在于：利用人体三维姿态和行为状态传感检测装置在计算机控制下进行检测，检测装置中有多组人体传感器装置，每组人体传感装置中有三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器三种不同的传感器，人体三维传感装置安装在人体的不同部位；检测过程是： 

建立三维空间参考坐标系，以三维空间参考坐标系为基础建立人体三维空间坐标系、传感器集成电路三维坐标系以及传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角；以头顶和人体各关节为人体姿态定位点，测量人体头顶以及各关节间的间距，确定立正状态下头顶以及人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标点；在人体不同部位安装人体三维传感装置，在立正状态向正北站立下测量人体三维传感装置三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器输出校准值；人体任意姿态下测量得到人体三维传感装置中三轴磁力传感器、三轴加速度传感器的输出测量值；根据输出校准值和任意姿态下输出测量值，计算人体三维传感装置校准姿态角和测量姿态角，根据人体三维传感装置校准姿态角和测量姿态角计算头顶和人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标，根据头顶和人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标确定人体三维姿态；根据人体三维传感装置中三轴陀螺仪传感器和三轴加速度传感器的输出初始值和任意姿态下输出测量值计算肢体的运动方向和运动路径，综合人体三维姿态、肢体运动方向、肢体运动路径，确定人体行为状态。 

2.如权利要求1所述的人体三维姿态和行为状态传感检测方法，其特征在于： 

所述建立三维空间参考坐标系，以三维空间参考坐标系为基础建立人体三维空间坐标系、传感器集成电路三维坐标系以及传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角；以头顶和人体各关节为人体姿态定位点，测量人体头顶以及各关节间的间距，确定立正状态下头顶以及人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标点的步骤是： 

先建立三维空间参考坐标系，坐标系中，OX轴指向北，OY轴指向东，OZ轴指向地； 

再建立传感器集成电路坐标系，坐标系中，OXb轴沿传感器集成电路的纵轴指向前,OYb轴沿传感器集成电路横轴指向右侧，OZb轴根据右手法则确定；三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器采用相同的传感器集成电路坐标系。 

然后确定传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角：包括面向角、侧倾角、前倾角； 

面向角：传感器集成电路纵轴OXb轴在水平面的投影与地磁北之间的夹角，面向角用ψ表示； 

侧倾角：传感器集成电路横轴OYb方向与水平面之间所形成的夹角，侧倾角用Ф表示； 

前倾角：传感器集成电路纵轴OXb轴方向与水平面之间所形成的夹角，前倾角用θ表示； 

根据姿态角确定传感器集成电路相对参考坐标系的姿态角计算公式：设三轴磁力传感器采集数据为[Mx,My,Mz],三轴加速传感器的数据采集数据为[Gx,Gy,Gz],则传感器集成电路相对参考坐标系的姿态角为： 

前倾角:θ=arcsin(-Gx) 

侧倾角：Ф=arcsin(Gy/cosθ) 

面向角:

传感装置的姿态角与传感器集成电路的姿态角相同，并采用相同的符号表示； 

建立人体三维空间坐标系的过程是： 

设各人体关节用字母表示为：A：头顶；B1：左肩关节；B2：右肩关节；C1：左肘关节；C2：右肘关节；D1：左腕关节；D2，右腕关节：E1，左掌指关节；E2：右掌指关节；F1：左髋关节；F2：右髋关节；G1：左膝关节；G2：右膝关节；H1：左踝关节；H2：右踝关节；I1：左脚趾骨；I2：右脚趾骨； 

设B1B2中点为O,F1F2中点为M，则OM为躯干，测量人体如下线段或人体部位的长度：OA：反映头的长度，OB1=OB2=OB=人体的肩宽的一半，B1C1=B2C2=BC=上臂长度，C1D1=C2D2=CD=前臂长度，D1E1=D2E2=DE=手掌长度，OM=躯干高度，MF1=MF2=MF=髋关节宽度的一半，F1G1=F2G2=FG=大腿长度，G1H1=G2H2=GH=小腿长度，H1I1=H2I2=HI=脚掌长度； 

建立人体三维空间坐标系OXrYrZr，以O为坐标原点的参考坐标建立人体三维空间坐标系OXrYrZr：O点的正北方为Xr轴，O点的正东方为Yr轴，O点的正下方为Zr轴；当人体成立正姿势面向正北站立时，B1B2为Y坐标，设其坐标轴为Yr，OB2为Yr轴正方向；OM为Z坐标，设其坐标轴为Zr，OM方向为Zr轴正方向；过O点做平面B1OM的垂线，该垂线为X坐标，设其坐标轴为Xr，人的正面方向为Xr轴正方向。