[发明专利]一种基于惯性传感单元的人体动作重构与分析系统及方法

权利要求书

1.一种基于惯性传感单元的人体动作重构与分析系统，其特征在于：包括姿态信息获取系统、WIFI无线路由器和中心计算机；所述姿态信息获取系统用于实时获取人体姿态信息，包括人体动作加速度数据、角速度数据、地磁数据、姿态角、四元数以及欧拉角；姿态信息获取系统由多个惯性传感单元组成，每个惯性传感单元分别安装在人体的一个部位，多个惯性传感单元将采集到的姿态信息数据通过WIFI无线路由器实时发送到中心计算机；

所述惯性传感单元包括电池、电源管理模块、九轴惯性传感器、嵌入式WIFI微控制器；所述电池为惯性传感单元供电，电源管理模块提供充电及断电功能；所述九轴惯性传感器包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴地磁传感器，分别用于采集加速度信号、角速度信号和地磁信号，九轴惯性传感器与嵌入式WIFI微控制器之间采用串行通信方式连接；嵌入式WIFI微控制器自带WIFI无线通信模块；嵌入式WIFI微控制器采集加速度、角速度及地磁信号并将三者数据进行融合得到姿态角、四元数及欧拉角等姿态信息数据，同时将这些姿态信息数据通过WIFI无线通信模块经由WIFI无线路由器发送到计算机；嵌入式WIFI微控制器与计算机之间采用TCP通信连接，用于接收指令和上传实时数据；嵌入式WIFI微控制器接收中心计算机发出的指令并完成同步、启动采集、停止采集、校准、休眠、断电的规定动作；

所述WIFI无线路由器是中心计算机与姿态信息获取系统之间的中继站，姿态信息获取系统的惯性传感单元经由WIFI无线路由器与中心计算机保持无线WIFI连接，WIFI无线路由器具有多信道自适应功能，为中心计算机与姿态信息获取系统之间提供可靠的数据交互链路；

所述中心计算机经由WIFI无线路由器与惯性传感单元之间构成星型网络结构；中心计算机控制并配置惯性传感单元工作，同时接收、存储和处理惯性传感单元上传的姿态信息数据并实时将各惯性传感单元数据进行融合以完成人体动作的重构；在人体动作重构的基础上进一步提取运动参数并分析处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感单元的人体动作重构与分析系统，其特征在于：所述惯性传感单元被封装在盒子内，与外接绑带一起构成可穿戴设备，为了完成人体动作的重构，根据人体生物力学特征和关节及节段运动约束关系，将17个惯性传感单元分别佩戴在人体的17个部位，17个部位分别是：头部、左肩、右肩、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、胸口、腰、左上腿、右上腿、左下腿、右下腿、左脚和右脚。

3.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感单元的人体动作重构与分析系统，其特征在于：所述姿态信息获取系统中的惯性传感单元根据需要增加或减少。

4.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感单元的人体动作重构与分析系统，其特征在于：所述姿态信息获取系统中的多个惯性传感单元并发向WIFI无线路由器发送数据，并由WIFI无线路由器传递给中心计算机处理，同时WIFI无线路由器将中心计算机发出数据传递给多个惯性传感单元，从而完成数据的交互。

5.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感单元的人体动作重构与分析系统，其特征在于：所述中心计算机建立人体虚拟三维模型并根据接收到的姿态信息数据驱动对应人体部位，将人体各个部位动作在三维空间内的姿态实时显示出来，从而完成人体动作的重构。

6.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感单元的人体动作重构与分析系统，其特征在于：所述中心计算机根据姿态信息获取系统提供的数据得到位置、速度、角度、角速度、加速度、角加速度等运动参数，并绘制重力加速度-时间曲线、角速度-时间曲线以及人体各个环节位移速度-时间曲线、关节角度-时间曲线、位移加速度-时间曲线、关节角加速度-时间曲线。

7.一种基于惯性传感单元的人体动作重构与分析方法，其特征在于实现步骤为：

(a)姿态信息获取系统的所有惯性传感单元上电，完成系统初始化工作；

(b)通过中心计算机发送出同步时钟指令，使姿态信息获取系统的各个惯性传感单元具有统一的系统时间；

(c)判断是否接收到开始指令，若是则进入(d)，否则继续等待；

(d)各个惯性传感单元开始采集加速度、角速度和地磁传感器的数据信息并暂时存储；

(e)各个惯性传感单元将采集到的数据进行融合计算得到当前肢体部位的姿态信息数据并暂时存储；

(f)惯性传感单元判断是否采集到设定的姿态信息数据，若是则进入步骤(g)；否则转到步骤(d)；

(g)惯性传感单元将设定时间内采集得到的传感器数据和计算得到姿态信息数据通过WIFI无线通信方式发送给中心计算机；

(h)判断数据是否发送成功，若是则进入步骤(i)，否则转到步骤(g)；

(i)判断是否接收到停止指令，若是则进入步骤(j)，否则转到步骤(d)；

(j)数据采集过程结束。