基于can总线和惯性传感器的动作捕获系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及人体运动学、传感器技术、健康医疗等领域，尤其涉及一种基于CAN总 线和惯性传感器的动作捕获系统。
【背景技术】
[0002] 动作捕获技术是一种新型的人机交互技术，其在康复医疗、影视、动画、游戏等领 域应用前景广阔。利用人体动作捕获技术，在康复医疗上，可以辅助因疾病或者交通意外后 导致肢体或其他特定身体部位失去运动机能的患者进行康复治疗；此外，动作捕获技术还 可以应用影视制作上，可以简化电影制作的难度，提高影视人物的逼真程度，如电影《阿凡 达》中的虚拟人物就是利用动作捕获技术制作而成的。动作捕获技术应用于游戏中能够引 入体感交互技术，使玩家能够利用身体的运动数据与虚拟游戏环境进行互动。
[0003] 如专利CN104461013A所述，基于wifi的动作捕获系统由17个惯性传感节点构成 的姿态信息获取系统，wifi无线路由和中心计算机三个部分组成。其中惯性传感节点分别 安装在人体的多个部位，用来实时采集各部位的加速度、角速度和地磁等信息，并利用融合 算法得到他的姿态角、四元数以及欧拉角等姿态信息。然后将采集到的信息和融合后的信 息通过wifi方式由wifi无线路由器发送到中心计算机，中心计算机融合各个惯性传感节 点的姿态信息数据完成人体动作的重构。
[0004] 基于SPI的动作捕获系统也是由分布在全身各主要关节点的15~17个惯性传感 节点，数据汇聚节点还有中心计算机三个部分组成。其中数据汇聚节点上分别利用一根片 选信号线连接再惯性传感节点上，用来分时采集安装在全身各主要关节点上的三维空间姿 态数据。采集完各个节点的三维空间姿态数据后将这些数据汇总封装成一个运动数据帧， 并发送给中心计算机，中心计算机利用各个传感节点的姿态信息数据完成人体动作的重 构。
[0005] 上述方案主要存在的缺陷有以下几点：
[0006] (1)使用无线方案每个惯性传感节点都必须配备一个锂电池单独供电，单一个节 点或几个节点的电池电量不足无法工作时，整个系统变无法使用。
[0007] (2)使用SPI方案的动作捕获系统每个惯性传感节点都必须连接一个片选信号 线，这将直接导致随着惯性传感节点的数量增加，连接在动作捕获系统上数据汇聚节点的 连线增加，整个系统导线分布复杂；
[0008] (3)使用无线方案，每个节点尺寸和重量都不容易再减小，会在一定程度上妨碍运 动。
【发明内容】
[0009] 为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于CAN总线和惯性传感器的动作捕获 系统，采用部分有线和部分无线的方式进行数据传输，在保证影响人体运动最小的前提下 提高数据的传输速率、系统的稳定性和使用的便利性。
[0010] 由于人体的运动信息构成复杂，需要放置多个惯性传感节点，这样就对整个系统 的数据传输速率有了更高的要求，为了避免传统方法造成各个惯性传感节点数据传输速率 不稳定，有的方法连线复杂、外观不雅等缺点，本发明提供了一种基于CAN总线的多路数据 传输方案，以确保整个动作捕获系统的惯性传感节点的数据传输速率稳定，接线方法简单， 外观时尚等诸多优点，有效地解决了当前技术带来的不便。
[0011] 具体而言，本发明提供了一种基于CAN总线和惯性传感器的动作捕获系统：所述 系统包括惯性传感节点组、数据汇聚节点和中心计算机；其特征在于：
[0012] 所述惯性传感节点组包括18个惯性传感节点，分别分布在人体主要骨骼点处，用 于实时采集人体主要骨骼点的三维空间姿态数据，描述三维空间姿态的数据主要包括四元 数或欧拉角；所述数据汇聚节点，是惯性传感节点姿态解算数据的汇聚中心，它完成对18 个惯性传感节点的采集工作，并将采集到的姿态数据封装成运动数据帧并通过无线wifi 模块将数据发送给中心计算机。
[0013] 优选的，所述惯性传感节点组的每个惯性传感节点都包含电源模块、三轴加速度 传感器、三轴陀螺仪传感器、三轴地磁仪传感器和CAN总线协议处理模块；其中，所述三轴 加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴地磁仪传感器都使用I2C通信协议与嵌入式微处 理器相连接；所述嵌入式微处理器实时采集上述九轴惯性传感器输出的加速度数据、角速 度数据和地磁数据，并将采集到的数据进行滤波，计算，并套用互补融合滤波算法得出比较 准确的描述当前惯性传感节点三维空间姿态信息的四元数和欧拉角数据。
[0014] 优选的，所述互补融合滤波方法进行姿态解算的步骤为：
[0015] 步骤一、系统上电，初始化三轴加速度传感器，三轴地磁仪传感器和三轴陀螺仪传 感器，并启动定时器，嵌入式微处理器实时采集九轴惯性传感器的数据并将采集到的数据 进行简单的滤波去除噪声；
[0016] 步骤二、利用三轴陀螺仪传感器输出的角速度数据和定时器定时时间T，对角速度 数据进行积分运动，得出经过时间T，当前时刻相对于上一时刻惯性传感节点三维空间旋转 过的角度值；
[0017] 步骤三、利用三轴地磁仪传感器和三轴加速度传感器，利用牛顿最速下降法推导 出三维空间旋转过的角度值；
[0018] 步骤四、利用互补融合滤波算法融合三轴陀螺仪传感器计算出的三维空间姿态数 据和三轴加速度地磁仪传感器计算出的三维空间姿态数据，采用的互补滤波器函数为：
[0020] 其中gyro(t)为陀螺仪传感器姿态解算后的值，accel_mag(t)为加速度地磁仪传 感器姿态解算后的值，dt是采样时间，T是常数。使用的滤波器函数为：
[0021] F(t) = 0. 99gyro(t) +0. 01accel_mag(t)
[0022] 优选的，所述18个惯性传感节点主要分布于人体的主要骨骼点处，用于实时采 集、计算各个主要骨骼点的三维空间位置，以便于中心计算机进行动作重构；其中，所述18 个惯性传感节点分别佩戴在人体的18个部位，该18个部位分别是：头部、左手掌、左下臂、 左上臂、左肩、左脚掌、左小腿、左大腿、右手掌、右下臂、右上臂、右肩、右脚掌、右小腿、右大 腿、脖子、上背和下背；所述18个惯性传感节点能够精确的捕获人体的各个主要关节点的 运动数据，能够解决全身的动作捕获问题。
[0023] 优选的，所述惯性传感节点包括电源管理模块、九轴惯性传感器模块和CAN总线 数据传输模块；所述电源管理模块用于提供稳定的3. 3v电压给惯性传感节点供电，并且能 够单独决定惯性传感节点的通断电功能；所述九轴惯性传感器模块包括三轴加速度传感 器、三轴陀螺仪传感器和三轴地磁仪传感器，用于实时采集人体各个关键骨骼点的三维加 速度、三维角速度和地磁方向的数据，利用这些数据计算出当前惯性传感节点的三维空间 姿态信息；所述CAN总线数据传输模块是用于采集18个惯性传感节点姿态解算后的数据并 汇总到数据汇聚节点上采用的总线通信协议；其中，所述18个CAN总线分成三组，每组各包 含6个惯性传感节点，每组CAN总线节点分别连接再数据汇聚传输节点的CAN总线上。
[0024] 优选的，所述数据汇聚节点包括三条CAN总线通信线路，每条CAN总线通信线路包 含上下两端CAN总线接口，上端CAN总线接口用于连接人体上身肢体的惯性传感节点，下端 的CAN总线接口用于连接人体下身肢体的惯性传感节点；所述三条CAN总线通信线路能够 有效的提高各个惯性传感节点的姿态上传速率，因为CAN总线通信协议的节点通信速率会 随着挂载在总线上的节点数量的增加而降低，采用三条CAN总线通信线路的方式，有效的 降低了惯性传感节点挂载在单条CAN总线上的惯性传感节点的数量，从而确保了惯性传感 节点的数据通信速率。所述数据汇聚节点还包括无线wifi模块，无线wifi通信模块接收 中心计算机的控制指令并根据相应的控制指令采集18个惯性传感节点的数据并上传给中 心计算机。
[0025] 优选的，所述中心计算机采集数据汇聚节点发送的运动数据帧，根据各个节点的 三维空间位置欧拉角和abdomen节点的三维空间位置数据利用人体动作的重构方法进行 重构。所述人体动作重构方法的步骤为：
[0026] 步骤一：依据人体的骨骼点的附属关系，建立人体骨骼点结构层次模型，本系统建 立了三条