基于UWB/IMU融合的运动姿势评估系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于UWB/IMU融合的运动姿势评估系统。人体佩戴姿势定位标签，其中利用UWB无线传输技术将IMU数据及姿势定位标签标识传输至UWB接收模块，UWB接收模块将数据传输至处理单元，处理单元对传输到的数据滤波处理后，再利用信息融合技术如改进的卡尔曼滤波及限制条件的融合技术，获取各个标签精确位置信息，继而人体的运动姿势信息，进行三维显示或者传输至其他平台。本发明专利技术应用在残疾人康复、生活、娱乐等领域，获得较好的社会和经济价值。获得较好的社会和经济价值。获得较好的社会和经济价值。

【技术实现步骤摘要】
基于UWB/IMU融合的运动姿势评估系统


[0001]本专利技术涉及人体运动姿态模型重建领域，具体为基于UWB/IMU融合的运动姿势评估系统及方法，尤其涉及一种基于UWB/IMU传感器的信息融合的人体运动姿态模型重建系统。

技术介绍

[0002]姿势评估在运动康复中的应用贯穿整个运动训练及康复治疗过程，通过姿势评估，能快速准确地发现患者的痛点，如动态姿势经过动态平衡测量评估，从本体、前庭、视觉、重心分布等方面进行检测，可定量评估帕金森病患者姿势平衡障碍，并有针对性地安排康复训练，改善帕金森病患者步态。不同的步态姿势可表征患有某种对应疾病的可能性更高。例如醉酒步，临床上称为共济失调，这种姿势很危险，不仅平衡能力差、易摔跤，还可能提示脑肿瘤、脑出血、小脑病变等情况；磁性步，这种走路姿势支撑力不足、平衡性差，尤其是老年人，容易因此摔倒。在临床上，是正压性脑积水病人典型症状。姿势评估可帮助运动员或特种人员精确发现个体的薄弱链，继而可个性化地针对性地指导运动员或特种人员进行科学有效的运动训练及运动康复，例如利用Y平衡测试对中长跑运动员进行身体功能性评估能够对下肢损伤起到很好的预判作用。
[0003]目前，人体动态姿势追踪的传感技术：惯性传感器、声传感器、磁传感器、机械传感器及视觉传感器。其中，基于惯性跟踪系统随着时间产生的累计误差和漂移将影响其位置信息，致使姿势判别误差较大；基于声学跟踪系统在跟踪中可能收到声音反射或者音频干涉的影响，尤其在相对封闭的空间内，影响更为严重；基于磁传感器其跟踪系统，由于受供电的影响，应用时间和精度难以保证；基于机械的运动跟踪系统，佩戴的设备相对较多，对运动姿势有所影响；基于视频方式的跟踪系统，为目前精度最高的系统，受空间遮挡对其影响较大，对空间要求比较严苛。
[0004]超宽带技术(Ultra Wide Band,UWB)是一项与传统通信技术有极大差异的通信无线新技术。UWB技术是一种传输速率高，发射功率较低，穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。超宽带(UWB)无线定位技术由于功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低，尤其是能提供非常精确的定位精度等优点，同时具有实时定位和精确定位的双重有点，定位的延迟时间远远小于蓝牙定位、WIFI定位等其他的室内定位技术。常用的基于测距的定位方法有：基于信号到达时间(Time of Arrival，TOA)定位、基于信号到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)定位、基于RSSI定位、基于信号到达角(Angle of Arrival，AOA)等。
[0005]利用UWB和惯性测量单元(IMU)融合技术进行定位。可利用IMU系统监测运动变化状态，利用UWB和IMU融合定位技术精确定位人体关键部位，继而实现人体姿态的跟踪。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种基于UBW/IMU融合的运动姿势重建新方法，该方法在人体特定
部位如腰部、胸部、头部、手臂、上臂、大腿、小腿及脚部佩戴姿势定位标签，利用UWB将IMU数据传输至处理单元，利用UWB接收器接收标签中UWB发送信号，并将阅读信息传输至处理单元，处理单元对传输到的数据滤波处理后，再利用信息融合技术，获取各个标签精确位置信息，继而人体的运动姿势信息，进行三维显示或者传输至其他平台。
[0007]本专利技术的技术方案是基于UWB/IMU融合的运动姿势评估系统，所述系统包括：
[0008]姿势定位标签，感知运动状态和发送UWB标签信息，并将IMU信息传输至处理单元；
[0009]UWB接收模块，阅读各个所述姿势定位标签中的IMU信息及UWB标签信息，继而将信息传输至处理单元；
[0010]处理单元，接收所述姿势定位标签的IMU信息并对其预处理，接收所述UWB标签信息，利用信息融合技术，获取各个标签的位置信息，并根据先验知识得到姿势信息；
[0011]通信显示模块，将所述处理单元获取的姿势信息显示出来或者传输至其他模块。
[0012]优选，所述姿势定位标签包括：
[0013]IMU传感器，用于感知固定部位的信息，不限于三维加速度，三维角速度及磁场信息。
[0014]UWB标签，用于标识特定部位和传输IMU数据信息，
[0015]单片机模块，用于控制IMU传感器及UWB模块工作，
[0016]供电电池，用于为所述姿势定位标签提供电源，
[0017]固定带，用于将所示姿势定位标签固定到指定位置。
[0018]优选，所述UWB接收模块，接收所述姿势定位标签信息，并且可将阅读标签的信息不限于：IMU传感器数据、发送时间、读取时间、信息强度及标签编号传输至所述处理单元。所述处理单元，包含无线通信模块、有线通信模块、滤波模块及信息处理单元，用于接收并处理所述姿势定位标签的实时信息，继而获取运动状态及各标签位置信息，将位置信息经所述通信显示模块，将其显示或者传输。
[0019]基于UWB/IMU融合的运动姿势评估系统采用的方法，其中工作流程为：首先搭建定位环境，安装所述UWB接收模块并记录其坐标位置，并将UWB接收模块坐标输入所述处理单元；再者按照图2要求佩戴所述姿势定位标签；然后，在静止状态对姿势定位标签中IMU惯性单元校准，最后数据融合算法计算各个标签位置并进行三维运动姿势模型重建。
[0020]进一步，所述姿势定位标签的IMU进行坐标转换获取加速度，利用四元数法进行坐标转换如下式(1)所示，
[0021]alp＝qalq
‑1(1)
[0022]其中，al＝[0,a],
[0023]a＝[a
x
,a
y
,a
z
]是姿势定位标签输出加速度，
[0024]q为当前姿势定位标签的信息四元数，
[0025][0026]其中，当前姿势定位标签输出θ，γ。
[0027]设定特殊动作，例如抬手、抬腿、向前、下蹲等特殊动作，判断各个姿势定位标签安
装位置的正确性，确保每个姿势定位标签按照正向安装，即顺位按照，如下蹲时，Z轴加速度向下。
[0028]进一步，设置训练者t时刻腰部运动起点转化后加速度为(a
x1t
,a
y1t
,a
z1t
),腹部运动起点转化后坐标为(a
x2t
,a
y2t
,a
z2t
),胸部运动起点转化后坐标为(a
x3t
,a
y3t
,a
z3t
)，整个人体的加速度值为
[0029][0030][0031][0032][0033]进一步，利用惯性步态模型，
[0034]SL
k
＝af
k
+bS
k
+C(7)
[0035]其中，SL
k
为第k步的步幅，
[0036]f
k本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于UWB/IMU融合的运动姿势评估系统，其特征在于，所述系统包括以下四个部分：1)姿势定位标签：感知运动状态和发送UWB标签信息，并将IMU信息传输处理单元；所述姿势定位标签包括:IMU传感器，用于感知固定部位的信息；UWB标签，用于标识特定部位和传输IMU数据信息，单片机模块，用于控制IMU传感器及UWB模块工作，供电电池，用于为所述姿势定位标签提供电源；2)UWB接收模块：阅读各个所述姿势定位标签中的IMU信息及UWB标签信息，将信息传输至处理单元；所述信息包括不限于：IMU传感器数据、发送时间、读取时间、信息强度及标签编号；3)处理单元：接收所述姿势定位标签的IMU信息并对其预处理，接收所述UWB标签信息，利用信息融合技术，获取各个标签的位置信息，并根据先验知识得到姿势信息；所述处理单元，包含通信模块、滤波模块及信息处理单元，用于接收并处理所述姿势定位标签的实时信息，继而获取运动状态及各标签位置信息，将位置信息经所述通信显示模块，将其显示或者传输；4)通信显示模块：将所述处理单元得到的姿势信息显示出来或者传输至其他模块；基于UWB/IMU融合的运动姿势评估系统所采用的方法如下：首先搭建定位环境，安装UWB接收模块并记录其坐标位置，并将UWB接收模块坐标输入至处理单元；再佩戴姿势定位标签；然后在静止状态对姿势定位标签IMU惯性单元校准，最后利用数据融合算法计算各个标签位置并进行三维运动姿势模型重建；所述姿势定位标签的IMU进行坐标转换获取加速度，继而获取步幅信息；利用四元数法进行坐标转换如下式(1)所示，alp＝qalq
‑1(1)其中，al＝[0,a],a＝[a
x
,a
y
,a
z
]是姿势定位标签输出加速度，q为当前姿势定位标签的信息四元数，其中，当前姿势定位标签输出θ，γ；设定特殊动作，抬手、抬腿、向前、下蹲特殊动作，判断各个姿势定位标签安装位置的正确性，确保每个姿势定位标签按照正向安装，即顺位按照，如下蹲时，Z轴加速度向下；设置训练者t时刻腰部运动起点转化后加速度为(a
x1t
,a
y1t
,a
z1t
),腹部运动起点转化后坐标为(a
x2t
,a
y2t
,a
z2t
),胸部运动起点转化后坐标为(a
x3t
,a
y3t
,a
z3t
)，整个人体的加速度值为为
利用惯性步态模型，SL
k
＝af
k
+bS
k
+C(7)其中，SL
k
为第k步的步幅，f
k
为第k步行走的所用时间的倒数，即f
k
＝t
k
‑
t
k；1
，S
k
为第k步内的加速度值得方差，其中，其中，a
k
为第k步内的加速度的均值，其中，N为当前一步内的采样点数，a、b、C为待求系数，一般与身高、腿长及运动环境有关，由实验经验获得；根据式(2)求解各个姿势定位标签的当前的加速度(a
xit
,a
yit
,a
zit
)，则由积分得其位置为:为:为:其中，为t0时刻姿势定位标签的坐标，为t0时刻姿势定位标签速度向量；进一步，所述UWB接收模块放置位置，其位置在固定场地的四角，UWB接收模块的编号分别为1,2
…
8，其位置坐标分别为(X
j
,Y
j
,Z
j
),其中j＝1,2
…
8，其上顶对角线处的UWB接收模块为基础定位接收模块，其坐标为(X9,Y9,Z9)；所述姿势定位标签定位采用基于信号到达时间差的定位方法进行定位，则姿势定位标签i的坐标为(x
i
,y
i
,z
i
),其到UWB接收模块的时间为t<...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟琳，张广举，明东，程龙龙，庞珺，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：