基于IMU的虛擬訓(xùn)練動(dòng)作獲取系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于IMU的虛擬訓(xùn)練動(dòng)作獲取系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基金輔助：航天科技創(chuàng)新基金（N7CH0003）作者簡(jiǎn)介：李偉(1983-)，男，西北工業(yè)大學(xué)，基金輔助：航天科技創(chuàng)新基金（N7CH0003）作者簡(jiǎn)介：李偉(1983-)，男，西北工業(yè)大學(xué)，博士生，主要從事信號(hào)與信息處理方面的研究。Email:rockindark@163.com手機(jī)電話(huà)通訊作者：李偉，rockindark@163.com（西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710129）摘要：(目的)本研究旨在為虛擬訓(xùn)練軟件設(shè)計(jì)一種人性化接口設(shè)備(HumanInterfaceDevice,HID)，以提高虛擬訓(xùn)練的逼真程度。(方法)方案選用微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)慣性器件構(gòu)建慣性測(cè)量單元(InertialMeasurementUnit,IMU)作為人體訓(xùn)練動(dòng)作的采集設(shè)備；并在VC++環(huán)境下設(shè)計(jì)完成動(dòng)作獲取與識(shí)別算法，通過(guò)軟件接口與虛擬訓(xùn)練軟件相連。(結(jié)果)通過(guò)對(duì)原理樣機(jī)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)的解算精度在以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足虛擬訓(xùn)練的要求。(結(jié)論)本文的研究拓展了MEMS器件的應(yīng)用領(lǐng)域，極大增強(qiáng)了虛擬訓(xùn)練的真實(shí)感和訓(xùn)練效果，具有廣闊的市場(chǎng)前景。關(guān)鍵詞：虛擬訓(xùn)練；動(dòng)作獲?。晃C(jī)電系統(tǒng)；慣性測(cè)量單元中圖號(hào)：TP216文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A（研究的重要意義）隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，為縮短訓(xùn)練周期，節(jié)約訓(xùn)練費(fèi)用，三維虛擬訓(xùn)練軟件廣泛應(yīng)用于武警、消防、水下作業(yè)等各高風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域。(前人研究進(jìn)展)然而目前此類(lèi)軟件大多仍采用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)進(jìn)行操作，逼真程度和訓(xùn)練效果有限。雖然部分軟件配備有專(zhuān)用模擬器、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，但往往價(jià)格昂貴難以廣泛應(yīng)用。(研究的切入點(diǎn))目前常見(jiàn)的虛擬訓(xùn)練軟件大都是將復(fù)雜的人體動(dòng)作簡(jiǎn)化為感興趣的若干基本訓(xùn)練動(dòng)作，因此通過(guò)安裝在人體適當(dāng)部位的IMU模塊，獲取這些基本訓(xùn)練動(dòng)作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)虛擬訓(xùn)練軟件，受訓(xùn)人便可通過(guò)實(shí)際動(dòng)作完成虛擬訓(xùn)練，極大的提高了虛擬訓(xùn)練效果。(研究擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題)本研究針對(duì)人體訓(xùn)練動(dòng)作特點(diǎn)，著重研究了人體姿態(tài)解算算法，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)解算軟件。1系統(tǒng)組成如圖1所示，本文開(kāi)發(fā)的虛擬訓(xùn)練動(dòng)作獲取系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，包括IMU模塊和系統(tǒng)解算軟件。采用單片機(jī)XC164作為系統(tǒng)微處理器對(duì)IMU各個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；由于虛擬訓(xùn)練軟件本身需要在通用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，為降低系統(tǒng)成本，將IMU模塊的解算程序也交由通用計(jì)算機(jī)完成。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1StructurediagramofsystemIMU模塊主要由兩個(gè)部分組成：前端傳感器部分、數(shù)據(jù)采集部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2慣性組合模塊的系統(tǒng)框圖Fig.2StructurediagramofIMU圖中第一部分為前端傳感器部分，由3個(gè)單軸陀螺ADXRS150、1個(gè)三軸加計(jì)ADXL330和1個(gè)三軸磁傳感器HMC1043及相關(guān)外圍電路構(gòu)成。第二部分為數(shù)據(jù)采集部分，包括信號(hào)調(diào)理和單片機(jī)XC164。其中信號(hào)調(diào)理部分對(duì)陀螺儀、加速度計(jì)及磁傳感器的輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；XC164自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器將各個(gè)傳感器輸出的模擬信號(hào)數(shù)字化，并將采得的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口發(fā)送給PC機(jī)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有虛擬訓(xùn)練軟件的研究分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)裝置于受訓(xùn)人頭部、手部和腿部的三個(gè)IMU即可獲取虛擬訓(xùn)練軟件所需的訓(xùn)練動(dòng)作。其中位于手部的IMU模塊用于獲取手部揮動(dòng)和手腕轉(zhuǎn)動(dòng)等基本動(dòng)作；位于腿部的IMU模塊用于獲取人體下蹲、匍匐和跳躍的基本姿態(tài)；位于頭部的IMU模塊用于獲取人體轉(zhuǎn)動(dòng)和俯仰等基本動(dòng)作。三個(gè)模塊之間通過(guò)串口連接，將采得的數(shù)據(jù)通過(guò)頭部IMU模塊的處理器統(tǒng)一送至PC機(jī)。2系統(tǒng)算法解算軟件的系統(tǒng)算法大致分為四個(gè)模塊：傳感器信號(hào)預(yù)處理算法、姿態(tài)解算算法和修正算法、動(dòng)作識(shí)別算法。2.1傳感器信號(hào)預(yù)處理算法預(yù)處理算法主要是設(shè)計(jì)FIR濾波器對(duì)各個(gè)傳感器的輸出進(jìn)行低通濾波[1]。采用軟件濾波器的優(yōu)點(diǎn)是便于調(diào)整各項(xiàng)濾波器指標(biāo)，使用靈活。首先在MATLAB環(huán)境下利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)低通濾波器。系統(tǒng)采樣頻率，根據(jù)器件參數(shù)以及人體訓(xùn)練動(dòng)作的典型頻率，選擇截止頻率。濾波器頻域特性如圖3所示。圖3FIR低通濾波器Fig.3FIRLPfilter采用此濾波器對(duì)傳感器電壓輸出序列進(jìn)行濾波。如圖4所示為X軸陀螺輸出電壓的濾波效果圖，可見(jiàn)濾波后其輸出波形的方差減小，從而在確保陀螺動(dòng)態(tài)性能的前提下，使陀螺輸出的穩(wěn)定性和精度得以提高。圖4濾波效果圖Fig.4Effectoffilter2.2姿態(tài)解算算法姿態(tài)解算算法以磁羅盤(pán)解算[2]和捷聯(lián)慣導(dǎo)解算[3]為核心，通過(guò)對(duì)分布于人體各部位的IMU模塊信號(hào)的解算，得到人體的運(yùn)動(dòng)信息。算法流程如圖3.3所示，首先對(duì)各傳感器的輸出進(jìn)行補(bǔ)償處理以提高系統(tǒng)精度。補(bǔ)償處理算法具體包括：磁傳感器羅差的最小二乘補(bǔ)償算法[4]、陀螺儀溫度補(bǔ)償算法[5]、加速度計(jì)誤差補(bǔ)償算法[6]；然后進(jìn)行磁羅盤(pán)解算得到磁羅盤(pán)姿態(tài)角；采用磁羅盤(pán)姿態(tài)角進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，獲得初始姿態(tài)矩陣，讀取角速率信號(hào)和坐標(biāo)變換后的加速度信號(hào)進(jìn)行捷聯(lián)慣導(dǎo)(Strap-downInertialNavigationSystem,SINS)解算得到SINS姿態(tài)角；計(jì)算速度和位置坐標(biāo)；最終將SINS姿態(tài)角與速度、位置信息一起構(gòu)成運(yùn)動(dòng)信息輸出。圖5姿態(tài)解算算法框圖Fig.5Structurediagramofresolvingalgorithm上述過(guò)程中，為了消除外界強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)磁傳感器的影響，需要對(duì)磁傳感器進(jìn)行定時(shí)復(fù)位修正[2]；陀螺需要預(yù)先進(jìn)行零位電壓和標(biāo)度因數(shù)標(biāo)定[7]，并通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行陀螺溫度曲線(xiàn)擬合；加速度計(jì)需要預(yù)先進(jìn)行零位電壓標(biāo)定、標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差修正。進(jìn)行磁羅盤(pán)解算時(shí)，以加速度計(jì)作為傾角傳感器與磁傳感器輸出共同解算得到的三個(gè)磁羅盤(pán)姿態(tài)角，解算原理簡(jiǎn)述如下：(1)式中，為羅盤(pán)航向角，、、為三軸磁傳感器測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度。，為俯仰角和橫滾角。當(dāng)加速度計(jì)的x軸和y軸相對(duì)于重力場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，重力將在響應(yīng)兩個(gè)方向產(chǎn)生分量，測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的重力分量，就可以計(jì)算出，：(2)式中，，為加速度計(jì)x，y軸的重力測(cè)量值，g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度。進(jìn)行捷聯(lián)慣導(dǎo)解算時(shí)采用四元數(shù)解算法[3]。這是因?yàn)樗脑獢?shù)解算法只需求解四個(gè)未知量的線(xiàn)性微分方程，計(jì)算量小，且算法簡(jiǎn)單，易于操作，適合于處理本文所涉及的人體訓(xùn)練動(dòng)作這種低動(dòng)態(tài)動(dòng)作。算法采用磁羅盤(pán)輸出的姿態(tài)角進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，采用四階龍格庫(kù)塔法求解線(xiàn)性微分方程，保證系統(tǒng)所需的解算精度和速度。2.3校準(zhǔn)算法通過(guò)姿態(tài)解算，本系統(tǒng)同時(shí)解算得到兩種姿態(tài)角：磁羅盤(pán)解算得到的姿態(tài)角和SINS姿態(tài)角。磁羅盤(pán)姿態(tài)角不存在積累誤差，在小傾角、小動(dòng)態(tài)時(shí)有較高的可信度，但其在高動(dòng)態(tài)條件下的性能差；通過(guò)IMU計(jì)算得到的SINS姿態(tài)角在短時(shí)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，但由于慣性導(dǎo)航算法存在固有的積累誤差，隨時(shí)間誤差變大，可見(jiàn)這兩種系統(tǒng)存在很強(qiáng)的互補(bǔ)性。針對(duì)訓(xùn)練時(shí)人體動(dòng)作中的大動(dòng)態(tài)動(dòng)作頻繁但持續(xù)時(shí)間較短這一特點(diǎn)，借鑒組合導(dǎo)航的基本思路[8]，通過(guò)校準(zhǔn)算法對(duì)兩種姿態(tài)角進(jìn)行融合。校準(zhǔn)算法的基本思路是：以磁羅盤(pán)姿態(tài)角IMU姿態(tài)角進(jìn)行組合，利用卡爾曼濾波去估計(jì)系統(tǒng)的各種誤差，再用誤差狀態(tài)的估計(jì)值去校準(zhǔn)系統(tǒng)。上述校準(zhǔn)算法的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：高精度磁羅盤(pán)姿態(tài)角作為外部量測(cè)值輸入，頻繁修正IMU姿態(tài)角，以控制其誤差隨時(shí)間的積累；而短時(shí)間內(nèi)高精度的IMU姿態(tài)角，保證了人體進(jìn)行短時(shí)大動(dòng)態(tài)動(dòng)作時(shí)的系統(tǒng)輸出精度。2.4動(dòng)作識(shí)別算法動(dòng)作識(shí)別算法的主要功能是將姿態(tài)解算得到的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行識(shí)別并將其組合為訓(xùn)練動(dòng)作矢量，通過(guò)軟件接口發(fā)送至虛擬訓(xùn)練軟件。動(dòng)作矢量的組成如表1所示。其中BX、BY、BZ為人頭部的姿態(tài)角，用于驅(qū)動(dòng)虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景中的人物視線(xiàn)；HX、HY、HZ為人手部的姿態(tài)角，用于驅(qū)動(dòng)虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景中手部動(dòng)作；CX、CY為人在虛擬場(chǎng)景中的坐標(biāo)，由頭部IMU數(shù)據(jù)給出；G1、G2、G3分別為人體站立、下蹲、匍匐三種姿態(tài)，通過(guò)對(duì)腿部IMU數(shù)據(jù)識(shí)別得出。根據(jù)具體的虛擬訓(xùn)練任務(wù)，可配置若干Function功能動(dòng)作矢量。表1訓(xùn)練動(dòng)作矢量Tab.1TrainingmotionvectorBXBYBZHXHYHZCXCYG1G2G3Function3系統(tǒng)算法的VC++實(shí)現(xiàn)采用VC++在基于對(duì)話(huà)框應(yīng)用程序框架中使用通信控件ActiveXMSComm控件編寫(xiě)串口通信程序。在此串口通信程序框架下嵌入了系統(tǒng)算法，并通過(guò)軟件接口與虛擬訓(xùn)練軟件相連，實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬訓(xùn)練環(huán)境的驅(qū)動(dòng)。通信程序的串口設(shè)置為COM1口，波特率9600，無(wú)校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為10ms，因此串口通信消息每10ms觸發(fā)一次，從而系統(tǒng)程序的循環(huán)周期也為10ms。程序中通過(guò)檢測(cè)通信協(xié)議中的標(biāo)志位“$”來(lái)判定是否接到有效數(shù)據(jù)，引入和校驗(yàn)，并通過(guò)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度校驗(yàn)避免了由于計(jì)算機(jī)進(jìn)行窗口切換等多任務(wù)操作而產(chǎn)生中斷時(shí)引起的接收錯(cuò)誤，確保了系統(tǒng)軟件的可靠性。4樣機(jī)測(cè)試結(jié)果手持IMU模塊進(jìn)行水平轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試，系統(tǒng)解算出的SINS姿態(tài)角如圖6~圖8所示。圖6偏航角輸出波形Fig.6Waveformofyaw圖7俯仰角輸出波形Fig.7Waveformofpitch圖8橫滾角輸出波形Fig.8Waveformofroll測(cè)試動(dòng)作進(jìn)行了水平的轉(zhuǎn)動(dòng)，初始角度為，三個(gè)SINS姿態(tài)角較為準(zhǔn)確的反映了測(cè)試動(dòng)作，由于引入了校準(zhǔn)算法，誤差控制在以?xún)?nèi)，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)滿(mǎn)足虛擬訓(xùn)練軟件的輸入要求。5結(jié)束語(yǔ)本研究采用MEMS器件構(gòu)成IMU模塊進(jìn)行動(dòng)作數(shù)據(jù)采集，并采用VC++編寫(xiě)了系統(tǒng)軟件。原理樣機(jī)完成了人體動(dòng)作的獲取，通過(guò)軟件接口與仿真環(huán)境相聯(lián)，效果良好。此項(xiàng)研究拓展了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用范圍，并為下一階段虛擬訓(xùn)練動(dòng)作獲取系統(tǒng)的實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。此項(xiàng)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于動(dòng)畫(huà)制作、人體動(dòng)作捕捉、虛擬訓(xùn)練/游戲外設(shè)、計(jì)算機(jī)人體輸入外設(shè)等應(yīng)用領(lǐng)域，具有巨大的市場(chǎng)潛力。參考文獻(xiàn)：[1]周金治，基于Matlab與DSP的FIR數(shù)字濾波器軟硬件實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005,208(17):1-2.[2]王永強(qiáng)，曾連蓀，金志華.一種基于磁阻傳感器的數(shù)字羅盤(pán)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2007,15(12):1864-1866.[3]秦永元.慣性導(dǎo)航[M].北京:科學(xué)出版社,2006.330-331.[4]邵婷婷，馬建倉(cāng)，胡士峰，王超.電子羅盤(pán)的傾斜及羅差補(bǔ)償算法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2007,20(6):1335-1337.[5]程龍，王壽榮，葉甫.硅微機(jī)械振動(dòng)陀螺零偏溫度補(bǔ)償研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2008,21(3):483-485.[6]楊常松，徐曉蘇.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差的試驗(yàn)標(biāo)定[J].測(cè)控技術(shù),2005,24(12):57-59.[7]潘金艷，徐苛杰，蔣軍彪，許勇.一種硅微陀螺的動(dòng)態(tài)校零方法[J].壓電與聲光,2006，28(1):123-126.[8]唐笑慧，富立，范耀祖.自適應(yīng)卡爾曼濾波在慣性測(cè)量組合誤差補(bǔ)償中的應(yīng)用[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào),2006,14(2):5-8.SoftwareDesignofVirtualTrainingMotionAcquisitionSystemBasedonIMULIWeiJINGZhan-rongZHANGJi-guang(SchoolofElectronicsandInformation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710129,Abstract:(Objective)ThisresearchwasconductedtodesignaHumanInterfaceDevice(HID)forthevirtualtrainingsoftwaretoimprovetheeffectofvirtualtraining.(Method)DesignedInertialMeasurementUnit(IMU)withMicro-Electro-Mechanical

Systems(MEMS)devicesasthedataacquisitionunittomeasurethehumantrainingmotion;Designedsystemalgorithmtoacquirehumantrainingmotion;ProgrammedthesystemsoftwarewithVC++，whichusingsoftwareinterfacetocommunicatewiththevirtualtrainingsoftware.(Result)Aftertestingofthemodelmachine,theresultsshowedthattheresolvingprecision,whichwasatleast,satisfiedtheHYPERL