论文研究-一种基于IMU的人体运动轨迹测量算法.pdf资源-CSDN文库

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中国科技论文在线

一种基于 IMU 的人体运动轨迹测量算法

李悠扬

1

，毛玉良

1

，王兴松

2*

*

作者简介：李悠扬（1992.2-），男，研究生在读，动作捕捉

通信联系人：王兴松（1965.7-），教授，机器人与自动化. E-mail: xswang@seu.edu.cn

（1. 东南大学机械工程学院，南京 211189；

2. 东南大学机械工程学院，南京 211189） 5

摘要：本文设计了一种基于 IMU 的人体运动轨迹测量方法，本方法对 IMU 的传感器数据施

行自适应最大下降算法，从而得到用四元数表示的 IMU 载体坐标系相对于东北天坐标系的

旋转关系。测量中通过将 IMU 固定在受试者下肢以获取人体步行过程的下肢姿态，将通过

将人体下肢抽象成连杆机构并假设支撑脚静止时，可以根据机器人学得到摆动脚的坐标，进10

而得到运动轨迹。同时对摆动脚上的 IMU 的加速度传感器信号积分，得到运动轨迹，将两

种方法得到的轨迹进行融合，作为最终的轨迹。实验证明该方法能够有效获取人体移动轨迹，

并且误差比单独使用一种方法要小。

关键词：IMU；四元数零速点；运动轨迹；连杆机构；最大下降算法

中图分类号：TP212 15

An IMU-based method for measuring human motion

trajectory

LI Youyang, MAO Yuliang, WANG Xingsong

(School of Mechanical Engineering of Southeast University, Nanjing 211189) 20

Abstract: An IMU-based method for measuring human motion trajectory is designed in this paper.

The adaptive maximum descent algorithm adopts the data from IMU-based sensor to get the

rotation relationship of the IMU carrier coordinate system to the northeast coordinate system

which is expressed by quaternion. IMU is bound on the lower limbs to obtain the entire lower limb

posture when the human walk. The human lower limb is abstracted into the linkage and the 25

supporting leg is assumed to be stationary. According to this assumption, we acquire the

coordinates of swinging feet and the moving trajectory. On the other hand, the integral trajectory

is obtained by integrating acceleration sensor of the IMU bound on the swinging feet. The final

trajectory is obtained by trajectory fusion of the two methods. Experiments show that this method

can obtain the trajectory of the human body effectively, and the error is smaller than only using 30

one method.

Key words:

IMU; quaternion; zero speed point; motion trajectory; linkage mechanism; maximum

descent algorithm

0 引言 35

人体轨迹跟踪在很多方面都有应用，一般室外可以依靠 GPS 定位来获取人体轨迹，精

度可以达到 5m 左右，室内由于建筑物的遮挡，GPS 无法工作。室内定位一般需要利用信标、

UWB 等固定基站的方式来定位，或者采用摄像头识别贴在人体的标记点来进行定位。

而一套基于惯性传感器的可穿戴式设备则无需外接设备帮助

[1, 2]

，利用加速度计、陀螺

仪、磁阻传感器结合的 IMU 不仅能够得到整个人体姿态

[3]

，而且可以通过对加速度计信号40

的积分得到步伐的 3D 轨迹。本文提出了通过前者将下肢抽象成连杆机构，在站立脚静止状

态下直接获取摆动脚的轨迹方法，并提出了一种结合该算法与积分轨迹的融合算法。

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