基于RFID/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了一种基于RFID/IMU融合的运动姿势评估系统，在人体特定部位佩戴姿势定位标签，在手臂、上臂、大腿、小腿及脚部佩戴RFID标签，其中利用无线传输技术如蓝牙、ZigBee等技术将IMU数据传输至处理单元，利用RFID阅读器阅读RFID标签，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如改进的卡尔曼滤波及限制条件，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。台。台。

【技术实现步骤摘要】
基于RFID/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，尤其涉及一种基于RFID/IMU融合的运动姿势评估系统。

技术介绍

[0002]姿势是指身体各部位在空间的相对位置，姿势变化能反映人体骨骼、肌肉、内脏器官、神经系统等各组织间的力学关系。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，能够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。不同的步态姿势能够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。
[0003]姿势评估能够帮助运动员或特种人员精确发现个体的薄弱链，继而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。
[0004]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，基于惯性传感器追踪系统是利用安装在跟踪身体关键位置的加速度计、陀螺仪、磁力计等基本MEMS传感器采集运动数据，通过数据融合算法，实现多目标的协同运动跟踪。声学跟踪系统是以超声波脉冲，使用信号到达时间和三角测量或相位相干方法来确定位置。基于磁传感器的追踪系统使用放置在目标身上的磁传感器，测量由发射器产生的低磁场，通过融合计算三维位置信息和旋转信息。基于机械的运动跟踪方法由刚性或者柔性测角器组成的可穿戴式外骨骼结构直接跟踪身体关节的运动角度，提供无遮挡的身体姿态信息。基于视频传感器的追踪系统以视频方式对人体运动状态进行监控和识别，且利用图像或者视频处理技术，以获取身体姿态信息。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。
[0005]RFID射频识别技术即采用无线射频信号读取和传输电子标签所存储的信息，RFID技术具有非视距传输、识别速度快等特点，而RFID技术中用到的存储信息的电子标签具有体积小、成本低廉、可重复使用等优点。基于RFID的室内定位方法就是通过已知位置的读写器，对标签进行定位。基于测距的方法是指通过各种测距技术对目标设备与各标签之间的实际距离进行估计，再通过几何方式来估计目标设备的位置。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。单纯地RFID定位误差大，精度难以满足姿势识别的要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术为克服现有技术的不足，提供一种基于RFID/IMU融合的运动姿势评估系统。在人体特定部位如腰部、胸部、头部佩戴姿势定位标签，在手臂、上臂、大腿、小腿及脚部佩戴RFID标签，其中利用无线传输技术如蓝牙、ZigBee等技术将IMU数据传输至处理单元，利用RFID阅读器阅读RFID标签，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RFID/IMU融合的运动姿势评估系统，包括：
[0008]姿势定位标签：感知运动状态和RFID标签，并将IMU信息传输至处理单元；
[0009]RFID定位标签单元：提供个体部位位置识别标识；
[0010]RFID阅读器:阅读各个所述RFID标签信息，提供RFID阅读器标识；
[0011]处理单元:接收所述姿势定位标签的IMU信息并对其滤波，接收所述RFID阅读器阅读的RFID标签信息，利用信息融合技术，获取各个标签的位置信息，根据先验知识得到姿势信息；
[0012]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。
[0013]可优选，所述姿势定位标签包括
[0014]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。
[0015]RFID标签，用于标识特定部位，
[0016]无线传输模块，用于将IMU信息传输所述处理单元，
[0017]供电电池，用于为所述姿势定位标签提供电源，
[0018]固定带，用于将所示姿势定位标签固定到指定位置。
[0019]可优选，所述RFID定位标签单元中的RFID标签为有源射频标签，用于标识特定部位，是RFID阅读器阅读对象；
[0020]可优选，所述RFID阅读器，可阅读所述RFID定位标签单元，并且可将阅读标签的信息不限于：读取时间、信息强度及标签编号传输至所述处理模块。
[0021]可优选，所述处理模块，包含无线通信模块、有线通信模块、滤波模块及信息处理模块，用于接收并处理所述姿态定位标签和所述RFID阅读器传输信息，产生各标签位置信息，将位置信息经所述通信显示模块，将其显示或者传输。
[0022]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，
[0023]alp＝qalq
‑1(1)
[0024]其中，al＝[0,a],
[0025]a＝[a
x
,a
y
,a
z
]是姿势定位标签输出加速度，
[0026]q为当前姿势定位标签的信息四元数，
[0027][0028]其中，当前姿势定位标签输出θ，γ。
[0029]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
),则将人体作为一个整体的加速度可将三点加速度求和，其中放置传感器安装方向错误，则先判断。
[0030]以x轴为例，
[0031]Ifa
x1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于RFID/IMU融合的运动姿势评估系统，其特征在于，所述系统包括：姿势定位标签：感知运动状态和RFID标签，并将IMU信息传输至处理单元；RFID定位标签单元：提供个体部位位置识别标识；RFID阅读器：阅读各个所述RFID标签信息，提供RFID阅读器标识；处理单元：接收所述姿势定位标签的IMU信息并对其滤波，接收所述RFID阅读器阅读的RFID标签信息，利用信息融合技术，获取各个标签的位置信息，根据先验知识得到姿势信息；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传输至其他模块；所述姿势定位标签中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：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；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
),则将人体作为一个整体的加速度将三点加速度求和，其中放置传感器安装方向错误，则先判断；以x轴为例，Ifa
x1t
*a
x2t
≥0，thena
x1t
*a
x3t
≥0则认为正确；Ifa
x1t
*a
x2t
≥0，thena
x1t
*a
x3t
<0则认为传感器三需要整理，则a
x3t
＝
‑
a
x3t
Ifa
x1t
*a
x2t
<0，thena
x1t
*a
x3t
<0则认为传感器一需要整理，则a
x1t
＝
‑
a
x1t
then a
x1t
*a
x3t
≥0则认为传感器二需要整理，则a
x2t
＝
‑
a
x2t
整理后的，整个人体的加速度值为：整理后的，整个人体的加速度值为：整理后的，整个人体的加速度值为：整理后的，整个人体的加速度值为：进一步，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步内所采集得到的加速度值的方差，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，可由实验经验获得；方法如下：在当前环境下，求出(3)
‑
(4)的步态信息，及测量步长，继而获得a、b、C值；所述定位标签定位技术，利用LANDMARC
‑
R算法进行定位，首先利用信号距离损耗模型，其中，r为待求标签距离距所述RFID阅读器的距离，r0为参考标签距离距所述RFID阅读器的距离，P
r
为待求标签到所述RFID阅读器的信号强度耗损，P
r0
为参考标签到所述RFID阅读器的信号强度耗损，a为路径损耗指数，ε
r
为遮蔽因子，f
p
(x,y,z)为环境干扰函数；利用公式(8)求出标签i到各个所述RFID阅读器的位置向量d
i
＝(r
i1
，r
i2
，
…
r
ik
)；其中，定位标签包括姿态定位标签和RFID定位标签单元；根据所述...

【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：