一种面向惯性传感网络动作捕捉手套的坐标系对准方法与流程

本发明涉及惯性测量，特别涉及一种面向惯性传感网络动作捕捉手套的坐标系对准方法。

背景技术：

1、在惯性测量技术领域，动作捕捉手套作为一种重要的人机交互设备，广泛应用于虚拟现实、机器人遥操作、运动分析等场景。现有的动作捕捉手套主要采用以下技术方案实现姿态测量：。

2、基于地球自转的惯性对准方案，申请号cn202410848931.0所公开的方案利用惯性测量单元中的陀螺仪和加速度计，结合地球自转角速度进行初始对准。具体而言，该方案要求使用者将手部保持在特定姿态并静止5秒钟以上。在前2秒内，系统根据陀螺仪输出的角速度信息和加速度计输出的比力信息，利用地球自转角速度和当地重力加速度，通过解析式计算初始姿态旋转矩阵；在后3秒内，系统采用卡尔曼滤波进行精对准，估计陀螺漂移和姿态误差，最终获得初始姿态信息。

3、基于多传感器融合的标定方案，申请号cn202410848931.0所公开的方案采用光纤柔性传感器与惯性传感器相结合的方式进行标定。光纤传感器布置于手指关节处，用于测量关节弯曲角度；惯性传感器布置于手背和手指末端，用于测量姿态。系统通过光纤传感器获得的高精度关节角度信息，结合惯性传感器数据，通过数据融合算法获得手部位姿。该方案的初始对准仍然依赖上述基于地球自转的惯性对准方法。

4、基于机械标定的对准方案，申请号cn201610231809.4方案采用光纤弯曲传感器或应变传感器，通过操作者执行特定的标定动作，记录传感器输出的最大值和最小值，建立传感器输出与关节角度的映射关系。该方案不涉及惯性坐标系对准，仅适用于弯曲传感器，无法获得手掌在三维空间中的绝对姿态。

5、然而，上述现有技术存在以下缺陷：

6、基于地球自转的惯性对准方案稳定性差。该方案的核心在于利用地球自转角速度进行初始对准。然而，地球自转角速度极小，现有低成本mems陀螺仪的测量精度难以准确捕捉如此微弱的角速度信号。此外，该方案要求手部在较长时间内保持绝对静止，而人手不可避免地存在生理性抖动，导致对准过程不稳定，对准误差较大。

7、初始对准姿态要求苛刻。现有方案要求使用者将手部保持在特定姿态，该姿态不符合人手的自然状态，使用者难以准确保持，且在保持过程中容易产生肌肉疲劳，进一步恶化对准精度。完整的对准流程需要5秒以上的静止时间，使用者必须刻意保持不动，等待系统完成对准。这种被动等待的方式用户体验较差，且在实际应用中，过长的准备时间降低了操作效率。

8、传感器坐标系与人体坐标系未精确对齐。由于手套佩戴的随机性，传感器坐标系与人体坐标系之间往往存在未知的偏差角。现有方案未能有效建立从传感器坐标系到人体坐标系的精确变换关系，导致后续姿态测量存在系统性误差。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种面向惯性传感网络动作捕捉手套的坐标系对准方法。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种面向惯性传感网络动作捕捉手套的坐标系对准方法，包括如下步骤：

3、采集第一对准动作期间布置于手套本体上的多个惯性测量单元传感器节点的加速度数据，所述第一对准动作为使用者将手平放于水平面且手掌向下、手指自然伸直并保持静止的动作；

4、根据所述加速度数据确定人体坐标系的z轴单位矢量；

5、采集第二对准动作期间所述传感器节点的角速度数据，所述第二对准动作为使用者保持握拳状态并以前臂为轴进行旋转运动的动作；

6、根据所述角速度数据确定人体坐标系的x轴单位矢量；

7、对所述z轴单位矢量和所述x轴单位矢量进行施密特正交化处理，获得修正后的x轴单位矢量和y轴单位矢量；

8、根据所述z轴单位矢量、所述修正后的x轴单位矢量和所述y轴单位矢量，构建从传感器坐标系到人体坐标系的旋转变换矩阵；

9、利用所述旋转变换矩阵将原始惯性数据变换至人体参考系。

10、进一步的，所述手套本体上布置有七个惯性测量单元传感器节点，其中手背位置布置一个手背节点，食指、中指、无名指和小指各布置一个近端关节节点，拇指布置一个中端关节节点和一个远端关节节点，所有节点通过柔性电缆连接至数据处理单元。

11、进一步的，根据所述加速度数据确定人体坐标系的z轴单位矢量，包括：计算所述第一对准动作期间采集的加速度数据在采样窗口内的平均加速度矢量；利用所述平均加速度矢量的反方向确定所述z轴单位矢量。

12、进一步的，所述平均加速度矢量的计算公式为：

13、；

14、其中，为采样次数，为第次采样的三轴加速度矢量，为平均加速度矢量；

15、所述z轴单位矢量的计算公式为：

16、；

17、其中，为z轴单位矢量，为平均加速度矢量的模长。

18、进一步的，根据所述角速度数据确定人体坐标系的x轴单位矢量，包括：根据所述第二对准动作期间采集的角速度数据构建协方差矩阵；对所述协方差矩阵进行特征值分解，提取最大特征值对应的特征向量；将所述特征向量作为所述x轴单位矢量。

19、进一步的，所述协方差矩阵的计算公式为：

20、；

21、其中，为协方差矩阵，为第次采样的三轴角速度矢量，为第二对准动作期间的采集次数；

22、所述特征值分解公式为：

23、；

24、其中，为特征值对角矩阵，为特征向量矩阵；

25、所述x轴单位矢量的计算公式为：

26、；

27、为人体坐标系x轴单位矢量，为最大特征值对应的特征向量。

28、进一步的，对所述z轴单位矢量和所述x轴单位矢量进行施密特正交化处理，获得修正后的x轴单位矢量和y轴单位矢量，包括：将所述x轴单位矢量投影至垂直于所述z轴单位矢量的平面并归一化，得到修正后的x轴单位矢量；计算所述z轴单位矢量与所述修正后的x轴单位矢量的叉积，得到y轴单位矢量。

29、进一步的，所述修正后的x轴单位矢量的计算公式为：

30、

31、其中，为修正后的x轴单位矢量，为所述x轴单位矢量，为所述z轴单位矢量；

32、所述y轴单位矢量的计算公式为：

33、；

34、其中，为y轴单位矢量。

35、进一步的，将所述修正后的x轴单位矢量、所述y轴单位矢量和所述z轴单位矢量在传感器坐标系各轴向上的投影分量按列排列，构建从传感器坐标系到人体坐标系的旋转变换矩阵，包括：

36、将所述修正后的x轴单位矢量在传感器坐标系三个轴向上的投影分量作为所述旋转变换矩阵的第一列，将所述y轴单位矢量在传感器坐标系三个轴向上的投影分量作为所述旋转变换矩阵的第二列，将所述z轴单位矢量在传感器坐标系三个轴向上的投影分量作为所述旋转变换矩阵的第三列，构建所述旋转变换矩阵：

37、；

38、其中，、、为所述修正后的x轴单位矢量在传感器坐标系三个轴向上的投影分量，、、为所述y轴单位矢量在传感器坐标系三个轴向上的投影分量，、、为所述z轴单位矢量在传感器坐标系三个轴向上的投影分量；

39、所述利用旋转变换矩阵将原始惯性数据变换至人体参考系，包括：

40、将所述旋转变换矩阵与传感器坐标系下的原始惯性数据相乘，得到人体参考系下的惯性数据。

41、综上所述，本发明具有以下有益效果：

42、本发明完全摒弃对地球自转的依赖，利用主动旋转运动产生的显著角速度变化进行主成分分析（pca），信号强度大幅提高，对准稳定性显著提升，对准误差可控制在1-2度以内。

43、本发明的第一对准动作和第二对准动作均为自然舒适姿态，对准姿态要求大幅降低，用户体验显著改善。

44、本发明利用主动旋转产生的强烈惯性效应，通过主成分分析准确提取主运动方向，对准精度较现有技术提高50%以上。

45、本发明仅使用加速度计和陀螺仪数据即可完成对准，完全不依赖地磁传感器，抗电磁干扰能力更强，适用范围更广。

46、本发明将完整的对准流程控制在5秒以内，显著提高了操作效率。