面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测系统、方法及终端与流程

1.本发明属于三维坐姿检测，尤其涉及一种面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测系统、方法及终端。


背景技术：

2.目前，随着人们物质水平的提高，汽车消费者在不断追求愉悦的驾驶和乘坐体验，乘坐舒适性已成为购买汽车时关注的重要指标。汽车乘坐舒适性主要包含静态和动态舒适性两个方面。动态舒适性是指在汽车行驶过程中，人体承受来自路面的不平激励，以及汽车加速、制动、转向、变道等三维六方向冲击时的感受。传统基于大量实车实验的舒适性评价方法耗时耗费，为此，许多学者采用坐姿人体振动模型来评价动态舒适性。多体动力学模型是一种比较常用的数学模型。多体动力学模型将坐姿人体视为几个刚体，每个刚体包含质量、质心以及重要的几何参数等信息，根据模型所推导出来的结果往往是刚体质心处的动力学响应(速度、加速度等)。实际操作中，需要将模型传递率、视在质量等响应去拟合坐姿人体振动试验数据，以试验结果标定模型，提高模型的精度和可信度。
3.现有技术中，能够捕捉、测量人体三维运动的方法和采集系统已有好几种，申请号为cn 110916677a，名称为《一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉》就是其中之一。该方法将惯性传感器分别粘贴在人体的双手掌心、双脚脚面、双臂臂弯、双膝膝盖、双脚脚踝处、背部和腹部等人体表面，这种方法测量到的是人体表面的加速度、角速度信号，而与质心处的响应有所区别。因此，若采用多体动力学模型去拟合该方法得到的人体动力学响应来辨识模型参数，必将造成较大的误差。此外，该方法和系统仅能够获得人体运动状态下的加速度和角速度时域信号，无法得到人体运动的频率响应(包括幅频特性和相频特性)。幅频特性表征振动衰减的程度，相频特性表征振动能量的耗散方式，是动态舒适性评价不可缺少的一部分。坐姿人体振动试验中，除了需要测量人体时域响应外，更重要的是得到人椅系统的传递特性等频率响应，这样才能够评价振动环境对人体舒适性的影响以及座椅的隔振效果。因此，该方法和系统并不适用于动态舒适性研究。其他一些人体运动采集系统除了存在上述问题以外，还采用了一个或多个专业摄像头，这又增大了实验成本。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的捕捉、测量人体三维运动的方法仅能测量运动人体表面的时域加速度、速度等响应信号，无法通过实验直接得到人体节段内部或质心处的响应以及进行频域分析，不适用于动态舒适性研究，且使用成本较高。
5.解决以上问题及缺陷的难度为：需要自行编制一套面向人体动态舒适性的数据采集程序，且程序中需要集成基于刚体空间运动学的坐标变换算法以及基于自功率谱密度函数和互功率谱密度函数的时频信号处理方法。
6.解决以上问题及缺陷的意义为：通过该检测系统和方法可直接得到人体节段质心的动力学响应和座椅到人体的传递率频谱，降低了实验数据处理的工作量，提高了效率，可为三维振动环境下的人体动态舒适性研究提供实验条件支撑。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测系统、方法及终端。
8.本发明是这样实现的，一种面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测方法，所述面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测方法控制电机产生0.5
‑
80hz频段内的随机激振信号，惯性传感器采集各安装位置的振动响应，并经过数据采集程序处理后，得到用于评价坐姿人体动态舒适性的传递率。
9.进一步，所述面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测方法包括以下步骤：
10.(1)根据受试人体身高、体重以及国家标准估计三个刚体各自的质心位置；
11.(2)拍摄受试人体侧向投影照，测量刚体质心在传感器动坐标系下相对位置l1、l2、l3；
12.(3)在数据采集界面输入上述刚体质心相对于传感器安装点的位置矢量l1、l2、l3。
13.(4)点击电机驱动按钮，开始试验；
14.(5)待电机运转稳定之后，开始数据采集；
15.(6)完成数据采集，结束试验，关闭电机。进一步，所述数据采集程序包括坐标变换模块、滤波模块和频域变换模块。
16.进一步，所述数据采集程序将传感器采集到的数据进行分类，分别提取三轴加速度数据、三轴角速度数据和四元数。
17.进一步，所述面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测方法的四元素通过下式计算方向余弦矩阵，以表征各刚体的姿态变换。
[0018][0019]
式中，q0、q1、q2和q3分别表示传感器输出的四元数1w、四元数2x、四元数3y、四元数4z。
[0020]
进一步，所述面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测方法坐标变换模块通过平移或旋转变换，将在传感器安装点测得的加速度、角速度矢量变换到对应的刚体质心位置，且变换后的动坐标x
i
、y
i
、z
i
(i＝1、2、3)坐标轴与动坐标系下的x0、y0、z0轴各自对应；具体如下：
[0021]
(1)基于刚体空间转动原理，将传感器动坐标系下的响应加速度a1、a2、a3和角速度矢量ω1、ω2、ω3变换到大地定坐标系o(x,y,z)下的表达；
[0022]
(2)对前述相对位移矢量l1、l2、l3进行二次求导，得到相对加速度矢量；
[0023]
(3)通过矢量加法运算，将步骤(1)中得到的加速度质量坐标原点平移到各自刚体的质心位置；
[0024]
(4)再次利用刚体空间转动原理，将定坐标系下的加速度、角速度响应变换到座椅支撑板动坐标系a(x0,y0,z0)下的表达。
[0025]
进一步，变换的具体公式表达如下：
[0026][0027]
式中，i＝1、2或者3，分别表示三个刚体，且：
[0028][0029]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测方法。
[0030]
本发明的另一目的在于提供一种实施所述的面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测方法的面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测系统，所述面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测系统设置有：
[0031]
惯性传感器；
[0032]
所述惯性传感器通过导线与所述控制器电性连接；所述控制器连接有伺服控制器，所述伺服控制器电性连接有驱动装置。
[0033]
进一步，所述惯性传感器设置有壳体，所述壳体内嵌装有三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴陀螺仪；
[0034]
所述驱动装置为伺服电机，所述上伺服电机设置有支撑板，所述支撑板上设置有座椅。
[0035]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明集成了基于自功率谱密度函数和互功率谱密度函数的频域变换，能够得到座椅到组成人体的各刚体质心处的线振动和角振动传递率的幅值比和相位差，适用于坐姿人体动态舒适性研究；
[0036]
本发明的数据采集程序集成了坐标变换模块，能够在完成实验的同时得到传递率数据，相对于部分文献中所述的通过数据采集卡测量人体响应，待完成实验之后再对实验数据进行坐标变换的方式效率更高；
[0037]
本发明的系统采用的是0.5
‑
80hz内的随机激振信号，比单频正弦激振方式效率更高；相对于现有人体运动采集技术而言，本发明能够获得组成人体的各刚体质心的(而非人体表面的)动态响应，其结果更适用于人体多体动力学模型参数识别，精度更高；除幅频特性以为，本发明能够得到传递率的相频信息，相对于仅用幅频特性去标定模型而言，同时采用传递率的幅频和相频响应去标定振动模型，能够进一步提高模型精度。此外，相频特性能够表征振动能量的耗散方式，是动态舒适性评价不可缺少的一部分。
[0038]
本发明提出了一种面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测方法与系统，在本专利说明书里面将坐姿人体假设为三个刚体，但该方法不限于三个刚体。若将人体视为多个刚体，仅需增加传感器数量并稍微改动数据采集程序即可。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于
本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1是本发明实施例提供的面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测系统的结构示意图；
[0041]
图2是本发明实施例提供的惯性传感器的结构示意图；
[0042]
图3是本发明实施例提供的座椅及支撑板的结构示意图；
[0043]
图4是本发明实施例提供的传递率测试系统示意图；
[0044]
图中：1、控制器；2、伺服控制器；3、驱动装置；4、惯性传感器；5、壳体；6、三轴加速度计；7、三轴陀螺仪；8、三轴陀螺仪；9、支撑板；10、座椅。
[0045]
图5是本发明实施例提供的人体为三个刚体示意图。
具体实施方式
[0046]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0047]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测系统、方法及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0048]
如图1至图3所示，本发明实施例提供的面向动态舒适性人体三维坐姿变动检测系统包括：控制器1、伺服控制器2、驱动装置3、惯性传感器4、壳体5、三轴加速度计6、三轴陀螺仪7、三轴陀螺仪8、支撑板9、座椅10。
[0049]
本实施例的惯性传感器设置有多个，通过导线与所述控制器电性连接；所述控制器连接有伺服控制器，所述伺服控制器电性连接有驱动装置。
[0050]
惯性传感器设置有壳体，所述壳体内嵌装有三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴陀螺仪。
[0051]
驱动装置为伺服电机，所述上伺服电机设置有支撑板，所述支撑板上设置有座椅。
[0052]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
[0053]
本发明的人体三维坐姿变动检测系统如图4所示，笔记本电脑控制电机产生0.5
‑
80hz频段内的随机激振信号，惯性传感器采集各安装位置的振动响应，并经过数据采集程序处理后，得到用于评价坐姿人体动态舒适性的传递率。
[0054]
这里以假设人体为三个刚体为例，详细阐述人体三维坐姿变动检测方法。三个刚体：刚体1由臀、大腿、小腿和足组成，刚体2由躯干、手臂和手组成、刚体3则包含头部和颈部，如图5所示。
[0055]
惯性传感器采用集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪和三轴陀螺仪。
[0056]
惯性传感器测量刚体1、刚体2、刚体3的响应加速度信号a1、a2、a3和角速度信号ω1、ω2、ω3以及座椅底板的激振信号a0和ω0。
[0057]
具体步骤：
[0058]
(1)根据受试人体身高、体重以及国家标准《中国成年人人体尺寸》估计三个刚体各自的质心位置。
[0059]
(2)拍摄受试人体侧向投影照，测量刚体质心在传感器动坐标系下相对位置l1、l2、
l3。
[0060]
(3)在数据采集界面输入上述刚体质心相对于传感器安装点的位置矢量l1、l2、l3。
[0061]
(4)点击电机驱动按钮，开始试验；
[0062]
(5)待电机运转稳定之后，开始数据采集；
[0063]
(6)完成数据采集，结束试验，关闭电机。
[0064]
该数据采集程序主要包括坐标变换模块、滤波模块和频域变换模块。
[0065]
数据采集程序将传感器采集到的数据进行分类，分别提取三轴加速度数据、三轴角速度数据和四元数。
[0066]
四元素通过下式计算方向余弦矩阵，以表征各刚体的姿态变换。
[0067][0068]
式中，q0、q1、q2和q3分别表示传感器输出的四元数1w、四元数2x、四元数3y、四元数4z。
[0069]
坐标变换模块则是通过平移或旋转变换，将在传感器安装点测得的加速度、角速度矢量变换到对应的刚体质心位置，且变换后的动坐标x
i
、y
i
、z
i
(i＝1、2、3)坐标轴与动坐标系下的x0、y0、z0轴各自对应。具体如下：
[0070]
(1)基于刚体空间转动原理，将传感器动坐标系下的响应加速度a1、a2、a3和角速度矢量ω1、ω2、ω3变换到大地定坐标系o(x,y,z)下的表达；
[0071]
(2)对前述相对位移矢量l1、l2、l3进行二次求导，得到相对加速度矢量；
[0072]
(3)通过矢量加法运算，将步骤(1)中得到的加速度质量坐标原点平移到各自刚体的质心位置；
[0073]
(4)再次利用刚体空间转动原理，将定坐标系下的加速度、角速度响应变换到座椅支撑板动坐标系a(x0,y0,z0)下的表达，以方便后面计算座椅到刚体质心处的传递率。
[0074]
上述变换的具体公式表达如下：
[0075][0076]
式中，i＝1、2或者3，分别表示三个刚体，且：
[0077][0078]
滤波模块包含两部分：低通、带通滤波器和限幅滤波器。低通、带通滤波器能够去除高、低频噪声和信号，得到动态舒适性研究所关注的频段信号；限幅滤波器可以在保证精度的同时降低滤波器设计难度，这相比专利《一种基于惯性传感器的人体运动状态捕捉》采用的卡尔曼滤波器更加简洁。频域变换模块则是通过计算振动激励、质心响应的自功率谱密度函数和互功率谱密度函数，获取频域范围内座椅到刚体质心处传递率的幅值比和相位
差。
[0079]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd
‑
rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0080]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。