[发明专利]一种可穿戴式运动传感器及其抗磁场干扰的方法

说明书

本发明公开了一种可穿戴式运动传感器及其抗磁场干扰的方法，属于可穿戴式传感器的研究领域，可以在有磁场干扰的情况下实时精确地估算运动传感器当前的姿态角。本发明利用传感器模块采集的加速度、角速度和磁场的实时数据，根据这些信息判断传感器当前的运动状态和外部磁场干扰情况，然后采用自适应的策略进行多传感器信息融合，计算并输出运动传感器的姿态角。本发明使用方便，不受场地限制，成本低廉，可以在有磁场干扰的情况下实时、高精度地测量人体部位的姿态角，拥有较高的可靠性以及较好的推广前景。

技术领域

本发明属于可穿戴传感器领域，具体涉及一种可穿戴式运动传感器及其抗磁场干扰的方法。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)技术的发展，基于MEMS的惯性传感器和磁力计以成本低、体积小、重量轻的优点被广泛地应用在人体运动分析领域，如手势识别，关节运动学分析，日常活动监测。一般地，一个典型的运动传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，对于人体运动分析来说，准确地测量身体部位的姿态非常关键。为了准确地获取身体部位的姿态，通过融合算法进行多传感器信息融合是常用的方法，比较常用的融合算法有扩展卡尔曼滤波法、梯度下降法、互补滤波法等。通过这些算法，可以提高估算姿态的精确度。然而，估算的精度仍然容易受到外部环境的干扰，特别是环境中的磁场干扰。因为地磁场非常微弱，日常环境中的建筑物，电磁设备，电脑，手机等都会产生较大的磁场干扰。由磁场干扰引起的偏航角的均方根误差会达到15.4°(Yadav et al.在磁场干扰条件下通过AHRS精确估计姿态Sensors 14 2014)。为了解决磁场干扰对估算精度的影响，有些方法通过设定了一个磁场强度阈值，超过阈值的磁场被认为是无效磁场，但是阈值的调整是一个非常繁琐的过程，而且很难找到一个非常合适的阈值。又如申请号为CN201310431846.6的发明专利中公开了一种运动惯性追踪系统，该系统通过移除磁力计模块来回避磁场干扰对精度的影响的问题。然而，减少磁力计模块后，无法获得绝对偏航角，且偏航角会存在漂移误差。而申请号为CN201510666248.6的发明专利中公开了一种基于微惯性传感器的室内定位方法，该方法具有静动态测量数据辨识模块，能够针对静态和动态分别采取不同的方法估算姿态角，但是该方法没有针对磁场干扰进行特别的优化，在环境中有磁场干扰时，仍然会引入较大的估算误差。在有磁场干扰条件下精确估算姿态角对人体运动分析具有重要的意义，有必要提出一种针对外界磁干扰进行特别优化的方法，使得运动传感器的姿态估计具有较强的抗磁场干扰能力。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中抗磁场干扰能力弱的问题，并提供一种可穿戴式运动传感器及其抗磁场干扰的方法，解决了运动传感器在外部有磁场干扰时精度降低的技术问题。本发明为解决技术问题，所采用的具体技术方案如下：一种可穿戴式运动传感器，包括锂电池、电源管理模块、MCU模块、传感器模块和状态指示模块，所述锂电池与电源管理模块相连，所述电源管理模块、传感器模块以及状态指示模块均与MCU模块相连。

进一步的，所述MCU模块上集成有WIFI。

进一步的，所述传感器模块由加速度计、陀螺仪以及磁力计组成。

本发明的另一目的是提供一种利用可穿戴式运动传感器的抗磁场干扰的方法，包括以下步骤：实时测量传感器模块的加速度、角速度和磁场信息，根据加速度和角速度信息进行静态判断，如果为静态，则保持当前姿态不变，如果为非静态，则进行外部磁场干扰程度计算，根据磁场干扰程度计算出融合加速度和角速度的6轴算法以及融合加速度、角速度和磁场的9轴算法的权重，加权后得到传感器的当前姿态，

式中：为估算的传感器在t时刻的姿态(四元数形式)，为6轴算法得到的姿态，为9轴算法得到的姿态，λ和1-λ分别为6轴算法和9轴算法的权重。

进一步的，所述静态判断具体步骤如下：进行静态检测时，设置了加速度静态判断条件和角速度判断条件，只有同时满足这两个条件时才判定当前传感器处于静态。