基于多MEMS惯性传感器的步态分析与研究
发布时间：2020-12-20 21:25
步行作为人类最常见的运动方式涉及到了丰富的运动学、动力学、生理学知识,由于身高、体重、神经系统的控制能力不同,每个人的步态都是独一无二的,因此步态分析可以用于康复评定、身份识别、体育运动等领域。针对步行状态的分析与应用是目前比较热门的研究方向之一。本文提出了基于惯性传感器的分析方法,通过自制的惯性动作捕捉模块进行实时的动作捕捉姿态解算,并使用蓝牙将运动数据上传到上位机进行多结点数据融合与运动可视化,最后进行步态参数计算与特征提取并在此基础上研究了步态参数之间的相关性以及步态信息与步态识别的关系。主要工作内容如下:1)设计并实现了基于惯性传感器的运动捕捉模块,用于实时采集步态信息并上传到上位机存储。该模块的硬件部分包括微处理器模块、MPU6050模块、HMC5883L模块、无线通信模块、电源模块和外围接口模块等。软件部分主要实现了底层电路驱动、加速度与磁力计校准、元数据读取滤波、四元数姿态融合、无线通信等。运动捕捉模块可以获取运动的姿态角、三轴角速度、三轴加速度、三轴磁力计信号,为接下来的研究提供了基础。2)建立三维人体层次骨架模型,将各结点的运动数据与三维人体模型对应,并存储为BVH（...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
足印法
计算出被测者的位置与姿态信息定量的描述人体的步态。Prakash[24]、Armand[2摄像机、5 个反光标识和一台计算机组成的运动捕捉系统，通过分析可以获得角度、步行速度等步态参数。基于光学标识点的步态分析系统市面上有许多产成熟，例如英国 Oxford Metrics Limited 公司的 Vicon 运动捕捉系统、美国 Natura的 OptiTrack 运动捕捉系列。无标识点的步态分析系统使用机器视觉技术提取肢体轮廓，通过后续的图像处理得到步态参数。段增武等人基于 Kinect 对人体态测量与分析[26]。高之泉等人使用两个 Kinect 从不同角度捕捉人体运动，确保遮挡也能准确获取人体运动信息[27]。基于视频图像的步态分析系统被称为步态标准”，但其也存在很大的弊端：安装过程复杂，运动捕捉范围仅限于摄像机捕捉精度受到光线强度、标识点遮挡、场地背景的影响；采集的运动数据量较计算量相对较大且价格昂贵[28]。
地理坐标系中，经过姿态解算后可以得到运动的方向、速度、位移、肢体的姿态角角度等信息[30]。Kim 等人使用加速计与陀螺仪将传感器固定在腰部与下肢测量人体行走过程中的息；Anna 等人利用惯性传感器对步态进行定量分析，并对踝关节置换患者进行临床；Ferrari 等人将基于视频图像系统获取的步态参数与基于惯性传感器的步态分析系得到的步态参数进行了对比，步长的误差小于 5%[32]；李秀丰等人采用六轴传感器分析偏瘫患者的步态异常[33]。吴健康教授与其团队通过两级数据融合的步态分析策决了空间位移累积误差问题并推出了国内首套 MMocap 惯性人体动作捕捉系统。戴士与其团队采用 IK 算法与 21 段人体骨架模型，研发的 Noitom 全身动作捕捉系统更短暂、动作更加逼真流畅。荷兰 Xsens 公司的 Xsens MVN 产品（如图 1-4 所示）的 3Dsuit 公司的 3Dsuit 惯性捕捉套装都得到了普遍的认可与应用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟现实技术在主题公园中的应用[J]. 周况,方田红. 设计. 2018(02)
[2]基于Kinect的人体三维质心动态测量及准确性分析[J]. 段增武,肖金壮,王洪瑞. 中国生物医学工程学报. 2015(06)
[3]基于四元数改进型互补滤波的MEMS姿态解算[J]. 陈孟元,谢义建,陈跃东. 电子测量与仪器学报. 2015(09)
[4]下肢外骨骼机器人辅助步行训练系统的研发及临床康复应用进展[J]. 吴涛,顾捷,李建华,邹政华. 中华物理医学与康复杂志. 2014 (12)
[5]基于六轴传感器的步态分析系统设计[J]. 李秀丰,郭立泉,王计平,郁磊,方强. 传感器与微系统. 2014(07)
[6]运动捕捉技术及其应用研究综述[J]. 向泽锐,支锦亦,徐伯初,李娟. 计算机应用研究. 2013(08)
[7]基于微惯性全姿态测量的人体运动捕捉系统研究[J]. 郭志虎,费洁,钱峰. 微型电脑应用. 2013(02)
[8]远程医疗发展现状综述[J]. 牟岚,金新政. 卫生软科学. 2012(06)
[9]脑卒中患者的社区康复护理[J]. 王瑞香. 中外医学研究. 2012(05)
[10]基于HMC5883的电子罗盘设计[J]. 胡宁博,李剑,赵榉云. 传感器世界. 2011(06)
博士论文
[1]人体步态分析的多传感器数据融合研究[D]. 仇森.大连理工大学 2016
硕士论文
[1]基于可穿戴式传感器的多特征步态分析系统设计与研究[D]. 腾珂.合肥工业大学 2016
本文编号：2928578
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
足印法
计算出被测者的位置与姿态信息定量的描述人体的步态。Prakash[24]、Armand[2摄像机、5 个反光标识和一台计算机组成的运动捕捉系统，通过分析可以获得角度、步行速度等步态参数。基于光学标识点的步态分析系统市面上有许多产成熟，例如英国 Oxford Metrics Limited 公司的 Vicon 运动捕捉系统、美国 Natura的 OptiTrack 运动捕捉系列。无标识点的步态分析系统使用机器视觉技术提取肢体轮廓，通过后续的图像处理得到步态参数。段增武等人基于 Kinect 对人体态测量与分析[26]。高之泉等人使用两个 Kinect 从不同角度捕捉人体运动，确保遮挡也能准确获取人体运动信息[27]。基于视频图像的步态分析系统被称为步态标准”，但其也存在很大的弊端：安装过程复杂，运动捕捉范围仅限于摄像机捕捉精度受到光线强度、标识点遮挡、场地背景的影响；采集的运动数据量较计算量相对较大且价格昂贵[28]。
地理坐标系中，经过姿态解算后可以得到运动的方向、速度、位移、肢体的姿态角角度等信息[30]。Kim 等人使用加速计与陀螺仪将传感器固定在腰部与下肢测量人体行走过程中的息；Anna 等人利用惯性传感器对步态进行定量分析，并对踝关节置换患者进行临床；Ferrari 等人将基于视频图像系统获取的步态参数与基于惯性传感器的步态分析系得到的步态参数进行了对比，步长的误差小于 5%[32]；李秀丰等人采用六轴传感器分析偏瘫患者的步态异常[33]。吴健康教授与其团队通过两级数据融合的步态分析策决了空间位移累积误差问题并推出了国内首套 MMocap 惯性人体动作捕捉系统。戴士与其团队采用 IK 算法与 21 段人体骨架模型，研发的 Noitom 全身动作捕捉系统更短暂、动作更加逼真流畅。荷兰 Xsens 公司的 Xsens MVN 产品（如图 1-4 所示）的 3Dsuit 公司的 3Dsuit 惯性捕捉套装都得到了普遍的认可与应用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟现实技术在主题公园中的应用[J]. 周况,方田红. 设计. 2018(02)
[2]基于Kinect的人体三维质心动态测量及准确性分析[J]. 段增武,肖金壮,王洪瑞. 中国生物医学工程学报. 2015(06)
[3]基于四元数改进型互补滤波的MEMS姿态解算[J]. 陈孟元,谢义建,陈跃东. 电子测量与仪器学报. 2015(09)
[4]下肢外骨骼机器人辅助步行训练系统的研发及临床康复应用进展[J]. 吴涛,顾捷,李建华,邹政华. 中华物理医学与康复杂志. 2014 (12)
[5]基于六轴传感器的步态分析系统设计[J]. 李秀丰,郭立泉,王计平,郁磊,方强. 传感器与微系统. 2014(07)
[6]运动捕捉技术及其应用研究综述[J]. 向泽锐,支锦亦,徐伯初,李娟. 计算机应用研究. 2013(08)
[7]基于微惯性全姿态测量的人体运动捕捉系统研究[J]. 郭志虎,费洁,钱峰. 微型电脑应用. 2013(02)
[8]远程医疗发展现状综述[J]. 牟岚,金新政. 卫生软科学. 2012(06)
[9]脑卒中患者的社区康复护理[J]. 王瑞香. 中外医学研究. 2012(05)
[10]基于HMC5883的电子罗盘设计[J]. 胡宁博,李剑,赵榉云. 传感器世界. 2011(06)
博士论文
[1]人体步态分析的多传感器数据融合研究[D]. 仇森.大连理工大学 2016
硕士论文
[1]基于可穿戴式传感器的多特征步态分析系统设计与研究[D]. 腾珂.合肥工业大学 2016
本文编号：2928578
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