李文鋒,吳 翔,孫 俊,江 鵬

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063)

人體姿態(tài)的檢測和跟蹤在各個(gè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用[1],目前對人體姿態(tài)的檢測和跟蹤包括基于視覺的和基于普通傳感器的.基于視覺的處理方法主要是利用高頻攝像頭的采集和圖像的處理來分析,對攝像頭和處理算法都提出了很高的要求,成本高,數(shù)據(jù)存儲量大,同時(shí)又只局限于平面分析,其應(yīng)用受到了很大的影響[2-3].利用低成本傳感器來跟蹤人體的姿態(tài),已經(jīng)有很多成功的例子,如法國學(xué)者Suguru goto設(shè)計(jì)的音樂機(jī)器人以及日本學(xué)者Fuminori Yamasaki在2007年設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)衣服都是利用普通傳感器來采集人體信息[4].人體可以看做是由一根根連桿組成的關(guān)節(jié)系統(tǒng),人體的運(yùn)動(dòng)可以簡化成一根根連桿的角度變化.隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展,加速度傳感器、位移傳感器等已經(jīng)能夠滿足捕捉人體姿態(tài)的要求.本文利用小型三軸加速度傳感器,設(shè)計(jì)了一種跟蹤人體的方法.

1 測量方法比較

1.1 基本方法

理論上,加速度a、速度 v和路程s之間滿足

和

根據(jù)傳感器采集的加速度信號,連續(xù)積分兩次即可得到位移,進(jìn)而計(jì)算出機(jī)器人四肢及身體的姿態(tài).實(shí)驗(yàn)中,按照這一方法處理采集到的傳感器數(shù)據(jù),最終結(jié)果與理論值相差甚遠(yuǎn),這是由于這種方法是利用微積分進(jìn)行計(jì)算,而且初始位姿是開機(jī)設(shè)定的第一次,可能存在一定的標(biāo)定誤差,在多次積分的計(jì)算中又存在誤差的時(shí)間累積性,最終導(dǎo)致錯(cuò)誤的產(chǎn)生.

1.2 當(dāng)前的研究方法分析

由于上面方法的不可行性,為了測量機(jī)器人的位姿狀態(tài),重慶大學(xué)的侯文生等人[5]提出了利用三軸小型加速度傳感器中的兩軸來測量角度的方法,其建立的模型如圖1所示.

圖1 傳感器受力示意圖

在該方法中,對加速度傳感器有諸多約束條件,具體包括:1)加速度傳感器必須繞某一參考點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng);2)保證其中一軸(圖中是Z軸)始終與重力軸保持垂直;3)運(yùn)動(dòng)平面必須是垂直向下;4)其中一軸(圖中是Y軸)必須始終保持與除去重力的加速度方向垂直.

在同時(shí)保證以上約束條件的情況下,能計(jì)算出剩下的一軸(X軸)與重力軸方向的夾角(θ角).

由于需要滿足的條件太多,使得該方法在實(shí)際應(yīng)用中極其不便,在機(jī)器人位姿檢測中只能用于雙臂的單平面角度檢測.

1.3 改進(jìn)的方法分析

充分利用傳感器能測量三軸加速度的特點(diǎn),在立體平面內(nèi)對傳感器進(jìn)行受力分析(圖2).

圖2 加速度傳感器三軸受力示意圖

由于重力和外力都能影響加速度傳感器的輸出,假設(shè)重力加速度為g,合外力加速度為a,則傳感器在各個(gè)方向應(yīng)滿足

式中:α,β,γ分別為合外力加速度a與X,Y,Z軸的夾角;αg,βg,γg分別為重力加速度g與X,Y,Z軸的夾角 ;Δ x,Δ y,Δ z 分別為計(jì)算出來的三軸的電壓輸出變化量;kx,ky,kz分別為傳感器在X,Y,Z三個(gè)方向的靈敏度.

通過選取傳感器的量程后,理論上可以通過一定的計(jì)算求出傳感器在三個(gè)方向上的靈敏度kx=ky=kz=計(jì)算出來的常量,但由于各個(gè)傳感器都存在計(jì)算精度的問題,實(shí)際上kx、ky、kz并不兩兩相等.

式(1)至式(5)組成的方程組一共存在7個(gè)未知量,為不定方程組.為了求得重力加速度g與X,Y,Z三軸的夾角αg,βg,γg;給定一約束條件合外力加速度a=0,則式(1)至式(4)分別等價(jià)于下面式(6)至式(9):

通過式(6)、式(7)、式(8)可計(jì)算出:

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),實(shí)際上用重力標(biāo)定的方法[5]來求出 kx、ky、kz,同時(shí)取重力加速度 g=9.8來進(jìn)行最后的計(jì)算,這樣得出的結(jié)果并不正確,所以本實(shí)驗(yàn)中采取將gk作為一個(gè)整體m來計(jì)算,例如求X軸的m值,只需測量出X軸在重力方向的靜態(tài)輸出值x1和垂直于重力方向的重力值x0,則

由于三軸上采集的數(shù)據(jù)可能有錯(cuò)誤,通過式(9)驗(yàn)算,可進(jìn)行初步的濾波處理.同時(shí),由于在采集數(shù)據(jù)時(shí)會有在約束條件之外的數(shù)據(jù),要進(jìn)行相應(yīng)的判斷處理,將這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也濾掉.

這樣測出來的角度就已經(jīng)比較準(zhǔn)確了,但在不同的應(yīng)用場合還要有不同的處理.本實(shí)驗(yàn)最終是用來跟蹤人體的位姿運(yùn)動(dòng),考慮到人體的抖動(dòng)對傳感器采集到的數(shù)據(jù)有影響,還應(yīng)設(shè)立一個(gè)去除人體抖動(dòng)的干擾的閾值.具體的做法如圖3所示.

圖3 傳感器數(shù)據(jù)處理流程圖

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1 算法實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)此次實(shí)驗(yàn)的目的是為了比較用這種算法計(jì)算的角度值與實(shí)際情況下的角度值之間的結(jié)果,計(jì)算這種算法的誤差,所以需要將計(jì)算出來的角度值在電腦上實(shí)時(shí)輸出出來.

本實(shí)驗(yàn)選用的傳感器是小型電容式三軸加速度傳感器,對傳感器模塊進(jìn)行穩(wěn)壓輸入.在單片機(jī)上進(jìn)行計(jì)算后,通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦,在電腦上將角度值實(shí)時(shí)輸出.

表1是實(shí)驗(yàn)所得的幾組數(shù)據(jù).

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差分析 (°)

2.2 仿真驗(yàn)證

模型的建立和仿真分別是在3Dmax軟件和OSG仿真平臺[6-7]下實(shí)現(xiàn)的.仿真實(shí)驗(yàn)中,將傳感器固定在人體兩臂上,利用前面的角度轉(zhuǎn)換算法,求出傳感器的位置,進(jìn)而通過一定的角度對應(yīng)關(guān)系能找到人體兩臂的運(yùn)動(dòng)位姿.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 人體仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)中可以看出,實(shí)驗(yàn)誤差都在6°以內(nèi),在一般條件下,該方法確實(shí)能夠?qū)⒓铀俣戎缔D(zhuǎn)化為角度值.而引起實(shí)驗(yàn)誤差的原因在于實(shí)際測得角度的方法本來就有一定的誤差,傳感器本身的精度也不是很高.同時(shí)周圍溫度等環(huán)境條件都可能影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

將加速度傳感器的加速度值轉(zhuǎn)化為角度值,擴(kuò)大了加速度傳感器的應(yīng)用范圍,對人體姿態(tài)跟蹤的仿真實(shí)驗(yàn)證明了其算法應(yīng)用的可行性,與其他算法相比,能更準(zhǔn)確記錄人體位姿信息.

[1]John Kemp,Elena I.Gaura,James Brusey.Using body sensor networks for increased safety in bomb disposal missions[EB/OL].(2008-01-01)http://www.coventry.ac.uk/researchnet/external/content/1/c4/60/92/v1234782324/user/bsn.pdf.

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