一种姿态监测方法、装置和穿戴设备与流程

本发明涉及计算机技术领域，具体涉及一种姿态监测方法、装置和穿戴设备。

背景技术：

当代办公室工作者及在校学生面临的一个共同问题是长时间不正确的坐姿导致的脊柱、颈椎变形，引发一系列疾病。目前，监测坐姿的技术主要存在以下两种弊端：

第一种是统计一段时间内的姿态角，并直接将获取到的姿态角与角度阈值进行比较，在统计一段时间内的姿态角的过程中，将获取到的姿态角未做任何处理，当姿态角跨“0”点时，即姿态角存在正负值，在统计的过程中，直接累加获取到的姿态角，导致统计结果与实际摆动幅度不匹配，获取到的姿态角偏小的情况经常出现，使得姿态监测结果不精确；

第二种是只对某一姿态角进行监测，这样只能监测出较为简单的姿态，或只能监测出偏离坐标轴上某轴比较大的姿态，漏检率较高。当用户的错误姿态在坐标轴上的分量较平均时，即用户的错误姿态在坐标轴的每一个分量均在角度阈值范围内，将无法检测出用户的错误姿态。

技术实现要素：

本发明提供了一种姿态监测方法、装置和穿戴设备，以解决现有的监测姿态技术中姿态结果不精确的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种姿态监测方法，所述方法包括：

预先获取用户正确姿态下两个以上姿态角的参考值；

实时获取用户当前姿态下各个所述姿态角的实际值；

将各个所述姿态角的实际值分别与相应的姿态角的参考值作差，将差值的绝对值作为各个所述姿态角的判断变量；

在设定时长内分别累计各个所述姿态角的判断变量超过设定角度阈值的次数；

若任一所述姿态角的统计次数超过第一设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若都未超过，则进一步计算各个所述姿态角的统计次数的次数和；

若所述次数和超过第二设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若所述次数和未超过第二设定次数阈值，则不发出纠正姿态的提示信息。

根据本发明的另一个方面，提供了一种姿态监测装置，所述装置包括：

参考值获取单元，用于预先获取用户正确姿态下两个以上姿态角的参考值；

实际值获取单元，用于实时获取用户当前姿态下各个所述姿态角的实际值；

判断变量获取单元，用于将各个所述姿态角的实际值分别与相应的姿态角的参考值作差，将差值的绝对值作为各个所述姿态角的判断变量；

次数累计单元，用于在设定时长内分别累计各个所述姿态角的判断变量超过设定角度阈值的次数；

第一阈值比较单元，用于若任一所述姿态角的统计次数超过第一设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若都未超过，则进一步计算各个所述姿态角的统计次数的次数和；

第二阈值比较单元，用于若所述次数和超过第二设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若所述次数和未超过第二设定次数阈值，则不发出纠正姿态的提示信息。

根据本发明的再一个方面，提供了一种姿态监测的装置，其特征在于，所述装置包括存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间通过内部总线通讯连接，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时能够实现上述的方法步骤。

根据本发明的又一个方面，提供了一种穿戴设备，所述穿戴设备包括上述的姿态监测装置。

本发明的有益效果是：本发明的技术方案，在进行角度阈值判断时，先获取用户正确姿态下两个以上姿态角的参考值，将用户当前姿态下各个姿态角的实际值分别与相应的姿态角的参考值作差，将差值的绝对值作为各个姿态角的判断变量，避免了使用单一姿态角监测的高误检率，保证了姿态监测的灵敏性；为了使得姿态监测结果更加精确，先后采用两种判断标准，第一种是在设定时长内分别累计各个所述姿态角的判断变量超过设定角度阈值的次数，若任一所述姿态角的统计次数超过第一设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；第二种是若任一所述姿态角的统计次数都未超过第一设定次数阈值，则进一步计算各个所述姿态角的统计次数的次数和，若所述次数和超过第二设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若所述次数和未超过第二设定次数阈值，则不发出纠正姿态的提示信息。本发明的技术方案提升了姿态监测的精确性，可以更好地满足不同姿态监测的需求，便于广泛推广应用。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种姿态监测方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的一种随体坐标系的示意图；

图3是本发明一个实施例的一种姿态角算法的示意图；

图4是本发明一个实施例的一种姿态监测方法的具体流程图；

图5是本发明一个实施例的一种姿态监测装置的结构示意图；

图6是本发明一个实施例的另一种姿态监测装置的结构示意图；

图7是本发明一个实施例的一种穿戴设备的结构示意图。

具体实施方式

本发明的设计构思是：为了提升姿态监测的精确性，可以更好地满足不同姿态监测的需求，便于广泛推广应用。预先获取用户正确姿态下两个以上姿态角的参考值；实时获取用户当前姿态下各个姿态角的实际值；将各个姿态角的实际值分别与相应的姿态角的参考值作差，将差值的绝对值作为各个姿态角的判断变量；同时在设定时长内分别累计各个姿态角的判断变量超过设定角度阈值的次数；若任一姿态角的统计次数超过第一设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若都未超过，则进一步计算各个姿态角的统计次数的次数和；若次数和超过第二设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若次数和未超过第二设定次数阈值，则不发出纠正姿态的提示信息。

实施例一

图1是本发明一个实施例的一种姿态监测方法的流程图，如图1所示，

在步骤s110中，预先获取用户正确姿态下两个以上姿态角的参考值。

在步骤s120中，实时获取用户当前姿态下各个所述姿态角的实际值。

在步骤s130中，将各个所述姿态角的实际值分别与相应的姿态角的参考值作差，将差值的绝对值作为各个所述姿态角的判断变量。

在步骤s140中，在设定时长内分别累计各个所述姿态角的判断变量超过设定角度阈值的次数。

在步骤s150中，若任一所述姿态角的统计次数超过第一设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若都未超过，则进一步计算各个所述姿态角的统计次数的次数和。

在步骤s160中，若所述次数和超过第二设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若所述次数和未超过第二设定次数阈值，则不发出纠正姿态的提示信息。

通过图1所示的方法可知，本发明的技术方案，在进行角度阈值判断时，先获取用户正确姿态下两个以上姿态角的参考值，将用户当前姿态下各个姿态角的实际值分别与相应的姿态角的参考值作差，将差值的绝对值作为各个姿态角的判断变量，避免了使用单一姿态角监测的高误检率，保证了姿态监测的灵敏性；为了使得姿态监测结果更加精确，先后采用两种判断标准，第一种是在设定时长内分别累计各个所述姿态角的判断变量超过设定角度阈值的次数，若任一所述姿态角的统计次数超过第一设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；第二种是若任一所述姿态角的统计次数都未超过第一设定次数阈值，则进一步计算各个所述姿态角的统计次数的次数和，若所述次数和超过第二设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若所述次数和未超过第二设定次数阈值，则不发出纠正姿态的提示信息。本发明的技术方案提升了姿态监测的精确性，可以更好地满足不同姿态监测的需求，便于广泛推广应用。

在本发明的一个具体实施例中，图2是本发明一个实施例的一种随体坐标系的示意图，在s110步骤之前，以用户重心为原点建立随体坐标系，如图2所示，设定用户的前方为随体坐标系的x轴的正方向，用户的右方为随体坐标系的y轴的正方向，用户的下方为随体坐标系的z轴的正方向；利用惯性测量单元获取的姿态角包括：绕x轴转动的翻滚角(roll)、绕y轴转动的俯仰角(pitch)、绕z轴转动的航向角(yaw)，其分别代表了腰/颈椎的左右弯曲程度，腰/颈椎的前后弯曲程度以及腰/颈椎的扭曲程度。

在本发明的一个实施例中，在用户身上设置九轴惯性测量单元，利用姿态角算法根据所述九轴惯性测量单元采集到的数据获取各个所述姿态角；

其中，所述九轴惯性测量单元包括三轴加速计、三轴磁力计和三轴陀螺仪，利用三轴加速度计、三轴磁力计、三轴陀螺仪分别采集加速度数据、地磁数据和陀螺仪数据。

在本发明的一个实施例中，图3是本发明一个实施例的一种姿态角算法的示意图，如图3所示，所述利用姿态角算法根据所述九轴惯性测量单元采集到的数据获取各个所述姿态角主要包括以下三个步骤：

第一步，利用加速度计310获取加速度数据，利用磁力计320获取地磁数据，根据加速度数据和地磁数据获取第一组姿态角，将第一组姿态角作为观测值330，观测值330的计算过程叫做状态更新；需要说明的是，第一组姿态角的计算过程如下：

根据公式计算翻滚角；

根据公式计算俯仰角；

根据公式

计算航向角，其中，roll是翻滚角，pitch是俯仰角，yaw是航向角，gx、gy、gz是加速度计采集的加速度数据，mx、my、mz是磁力计采集的地磁数据，g为重力加速度。

第二步，利用350获取陀螺仪数据，将初始时刻的第一组姿态角(初始姿态角340)和陀螺仪数据代入陀螺仪预测状态方程360，获取第二组姿态角，将第二组姿态角作为预测值370，预测值370的计算过程叫做时间更新；

需要说明的是，第二组姿态角的计算过程如下：

在初始时刻，将初始时刻的第一组观测值330(即初始姿态角340)作为陀螺仪预测姿态方程360的初始值，然后再加上陀螺仪的数据，即可计算出第二组姿态角，陀螺仪迭代方程为(roll、pitch、yaw)下一时刻＝(roll、pitch、yaw)当前时刻·ak，其中，取初始时刻的第一组姿态角为该迭代方程的初始值，roll是翻滚角，pitch是俯仰角，yaw是航向角，ωx、ωy、ωz是陀螺仪采集的陀螺仪数据，△t为采样时间间隔，

第三步，利用卡尔曼滤波380根据所述第一组姿态角和所述第二组姿态角获取各个所述姿态角。需要说明的是，预测值370和观测值330是卡尔曼滤波380的输入端口，进行卡尔曼滤波380的结果是观测值330和预测值370按照一定比例取值，得到最终的最优姿态值。另外，姿态角算法的输出周期可以进行调整，例如本实施例采用200ms。

需要说明的是，加速度计310和陀螺仪350在使用之前需要经过“六”面或“十二”面的校准补偿；磁力计320在使用之前需要进行空间画“八”字的校准补偿。

为了使得本发明的技术方案更加清晰，下面举一个具体的例子进行解释。图4是本发明一个实施例的一种姿态监测方法的具体流程图，如图4所示，

s2_1，利用九轴传感器获取采集加速度数据、地磁数据和陀螺仪数据，在本发明的一个实施例中，利用九轴惯性测量单元采集三轴加速度数据、三轴地磁数据和三轴陀螺仪数据，并将获取到的三轴加速度数据、三轴地磁数据和三轴陀螺仪数据传送至s2_1中的姿态角算法。需要说明的是，在s2_1之前已经以用户重心为原点建立随体坐标系，并设定用户的前方为随体坐标系的x轴的正方向，用户的右方为随体坐标系的y轴的正方向，用户的下方为随体坐标系的z轴的正方向；绕x轴转动的为姿态角中的翻滚角、绕y轴转动的为姿态角中的俯仰角、绕z轴转动的为姿态角中的航向角。

s2_2，如图3所示，由加速度计和磁力计可以计算得到第一组姿态角，得到的第一组姿态角叫做观测值，这个计算过程叫做状态更新。在初始时刻，将第一组观测值(即初始姿态角)作为陀螺仪迭代方程的初始值，然后再加上陀螺仪的数据，可以计算出第二组姿态角，这个计算过程叫做时间更新，得到的第二组姿态角叫做预测值。预测值和观测值是卡尔曼滤波的输入端口，进行卡尔曼滤波的结果是观测值和预测值按照一定比例取值，得到最终的最优姿态值，即姿态角s2_3。

姿态角包括翻滚角(绕x轴转动)s2_4、俯仰角(绕y轴转动)s2_5、航向角(绕z轴转动)s2_6。

s2_7，将获取到的翻滚角、俯仰角、航向角的实际值，分别与正确姿势下的姿态角作差值，取差值的绝对值作为判断变量，避免了使用单一姿态角监测的高误检率，保证了姿态监测的灵敏性。需要说明的是，正确姿势下的姿态角指的就是各姿态角的参考值，参考值的获取过程是，用户将姿态监测装置佩戴到腰部或颈部后坐正，通过按键或其他操作确定当前为参照姿势，即用户自己定义符合自己的正确坐姿，并计算出当前的姿态角，将计算出的当前的姿态角作为姿态角的参考值。

s2_8，分别判断各姿态角是否大于角度阈值？在本发明的一个实施例中，根据测量的实时姿态角与正确坐姿下的姿态角差值的绝对值作为判断变量，分别判断三个姿态角的判断变量是否大于预设的阈值。如果小于预设的阈值则丢弃，如果大于预设的阈值，则进行记录。即次数变量count加一(即count+1)s2_9；

s2_10，并在一定的时间窗口(如一分钟)内判断三个姿态角记录的次数变量count值是否大于设定的次数阈值1。如果有任一姿态角的count值大于次数阈值1，执行s2_14；如果三个姿态角的次数变量count值均小于次数阈值1，则执行s2_11。

s2_11，计算三个轴次数的和，即将三个姿态角的次数变量count值求和。

s2_12，判断s2_11计算得到的次数是否大于次数阈值2？若是，执行s2_14；若否，则执行s2_13。通过s2_10和s2_12两次阈值比较判断，使得姿态监测结果更加精确。

s2_13，不发出纠正姿态的提示信息，即不提醒用户校正姿态。

s2_14，发出纠正姿态的提示信息，即提醒用户校正姿态。

实施例二

图5是本发明一个实施例的一种姿态监测装置的结构示意图，如图5所示，所述装置包括：

参考值获取单元410，用于预先获取用户正确姿态下两个以上姿态角的参考值；

实际值获取单元420，用于实时获取用户当前姿态下各个所述姿态角的实际值；

判断变量获取单元430，用于将各个所述姿态角的实际值分别与相应的姿态角的参考值作差，将差值的绝对值作为各个所述姿态角的判断变量；

次数累计单元440，用于在设定时长内分别累计各个所述姿态角的判断变量超过设定角度阈值的次数；

第一阈值比较单元450，用于若任一所述姿态角的统计次数超过第一设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若都未超过，则进一步计算各个所述姿态角的统计次数的次数和；

第二阈值比较单元460，用于若所述次数和超过第二设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若所述次数和未超过第二设定次数阈值，则不发出纠正姿态的提示信息。

在本发明的一个实施例中，所述装置还包括：

坐标系建立单元470，用于以用户重心为原点建立随体坐标系，并设定用户的前方为随体坐标系的x轴的正方向，用户的右方为随体坐标系的y轴的正方向，用户的下方为随体坐标系的z轴的正方向；

获取的姿态角包括：绕x轴转动的翻滚角、绕y轴转动的俯仰角、绕z轴转动的航向角。

在本发明的一个实施例中，所述装置还包括：

九轴惯性测量单元480，用于采集加速度数据、地磁数据和陀螺仪数据，并将所述加速度数据、所述地磁数据和所述陀螺仪数据发送至姿态角算法单元；其中，所述九轴惯性测量单元包括加速计、磁力计和陀螺仪，利用所述加速度计、所述磁力计、所述陀螺仪分别采集加速度数据、地磁数据和陀螺仪数据。

所述姿态角算法单元490，用于利用姿态角算法根据所述九轴惯性测量单元采集到的数据获取各个所述姿态角。

在本发明的一个实施例中，所述姿态角算法单元490包括：

第一组姿态角获取模块491，用于根据加速度数据和地磁数据获取第一组姿态角，并将所述第一组姿态角发送至姿态角获取模块493；

第二组姿态角获取模块492，用于根据初始时刻所述第一组姿态角和陀螺仪数据获取第二组姿态角，并将所述第二组姿态角发送至姿态角获取模块493；

姿态角获取模块493，用于利用卡尔曼滤波根据所述第一组姿态角和所述第二组姿态角获取各个所述姿态角。

其中，所述第一组姿态角获取模块根据加速度数据和地磁数据获取第一组姿态角包括：

根据公式计算翻滚角；

根据公式计算俯仰角；

根据公式

计算航向角，其中，roll是翻滚角，pitch是俯仰角，yaw是航向角，gx、gy、gz是加速度计采集的加速度数据，mx、my、mz是磁力计采集的地磁数据，g为重力加速度；

所述第二组姿态角获取模块根据初始时刻的所述第一组姿态角和陀螺仪数据获取第二组姿态角包括：

根据陀螺仪迭代方程(roll、pitch、yaw)下一时刻＝(roll、pitch、yaw)当前时刻·ak计算所述第二组姿态角，其中，取初始时刻的第一组姿态角为该迭代方程的初始值，ωx、ωy、ωz是陀螺仪采集的陀螺仪数据，△t为采样时间间隔，

需要说明的是，本实施例中请求保护的姿态监测装置400的工作过程与图1所示的方法的各实施例的实现步骤对应相同，相同的部分不再赘述。

实施例三

图6是本发明一个实施例的另一种姿态监测装置的结构示意图，如图6所示，所述装置包括存储器520和处理器510，所述存储器520和所述处理器510之间通过内部总线通讯连接，所述存储器520存储有能够被所述处理器510执行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器510执行时能够实现如图1所示的方法步骤。

存储器520和处理器510之间通过内部总线530通讯连接，在本发明的一个实施例中，存储器520存储的是姿态监测的计算机程序521。该姿态监测的计算机程序521被处理器510执行时能够实现如图1所示的方法步骤。

在不同的实施例中，存储器520可以是内存或者非易失性存储器。其中非易失性存储器可以是：存储驱动器(如硬盘驱动器)、固态硬盘、任何类型的存储盘(如光盘、dvd等)，或者类似的存储介质，或者它们的组合。内存可以是：ram(radomaccessmemory，随机存取存储器)、易失存储器、非易失性存储器、闪存。进一步，非易失性存储器和内存作为机器可读存储介质，其上可存储由处理器510执行的姿态监测的计算机程序521。

需要说明的是，本实施例中请求保护的姿态监测装置500的工作过程与图1所示的方法的各实施例的实现步骤对应相同，相同的部分不再赘述。

实施例四

图7是本发明一个实施例的一种穿戴设备的结构示意图，如图7所示，所述穿戴设备600包括姿态监测装置400/500。

在实际应用中，穿戴设备600可以为腰带或者项环，也可以根据用户的实际需要进行定制，使其能够佩戴在人体身上的任何部位，起到监测人体姿态的作用。

需要说明的是，本实施例中请求保护的姿态监测装置400/500的工作过程与图1所示的方法的各实施例的实现步骤对应相同，相同的部分不再赘述。

综上所述，本发明的技术方案，在进行角度阈值判断时，先获取用户正确姿态下两个以上姿态角的参考值，将用户当前姿态下各个姿态角的实际值分别与相应的姿态角的参考值作差，将差值的绝对值作为各个姿态角的判断变量，避免了使用单一姿态角监测的高误检率，保证了姿态监测的灵敏性；为了使得姿态监测结果更加精确，先后采用两种判断标准，第一种是在设定时长内分别累计各个所述姿态角的判断变量超过设定角度阈值的次数，若任一所述姿态角的统计次数超过第一设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；第二种是若任一所述姿态角的统计次数都未超过第一设定次数阈值，则进一步计算各个所述姿态角的统计次数的次数和，若所述次数和超过第二设定次数阈值，则发出纠正姿态的提示信息；若所述次数和未超过第二设定次数阈值，则不发出纠正姿态的提示信息。本发明的技术方案提升了姿态监测的精确性，可以更好地满足不同姿态监测的需求，便于广泛推广应用

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。