基于惯性测量单元的人体下肢运动捕捉算法研究.pdf

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1、硕士学位论文基于惯性测量单元的人体下肢运动捕捉算法研究RESEARCHONHUMANLOWERLIMBMOTIONCAPTUREALGORITHMBASEDONINERTIALMEASUREMENTSUNITS岳晋忠哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.6学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文基于惯性测量单元的人体下肢运动捕捉算法研究硕士研究生：岳晋忠导师：纪军红申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.6U.D

2、.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringResearchonHumanLowerLimbMotionCaptureAlgorithmBasedonInertialmeasurementsunitsCandidate：YuejinzhongSupervisor：JijunhongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringD

3、ateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要惯性人体运动捕捉系统是一种自主导航的运动捕捉系统，不需外部发射源，可在室内室外进行运动捕捉，穿戴方便，没有场地限制，也没有延迟。本课题研究基于惯性测量单元（IMU）的人体下肢运动捕捉算法，目的是为开发人体下肢运动捕捉系统做准备，这种系统主要用在膝关节受损病人术后康复训练中。本课题研究了相关算法，对部分算法进行了改进，也设计了部分新的算法，针对建立的算法设计了3个仿真实验和2个实物实验。

4、主要研究内容如下：首先，对IMU和肢体之间的校准算法进行了研究。研究了已有的一种利用最小二乘法进行关节位置估计的算法，对其中的球面副关节位置估计算法进行了扩展，又针对其中铰链关节轴估计算法不稳定和精度差的问题，设计了一种新的关节轴位置估计算法。研究了已有IMU初始姿态校准方法存在的问题，针对问题设计了一种新的相邻IMU相对姿态校准算法。设计了仿真实验，对研究的校准算法进行了仿真验证。然后，对单个IMU的姿态估计算法进行了研究。研究如何建立卡尔曼滤波（KF）模型，以形成融合陀螺仪、加速度计和磁力计信号的KF算法。针对IMU的数学模型，设计了一个线性KF模型和一个的非线性KF模

5、型，对非线性KF模型分别用扩展卡尔曼滤波（EKF）和无味卡尔曼滤波（UKF）进行算法实现。设计了自适应参数调节器，从而形成了AKF、AEKF和AUKF三种算法。设计仿真实验对算法进行了验证和选择，设计实物实验对所选算法进行了进一步验证。最后，研究了人体下肢肢体坐标系的建立算法和关节角的估计算法。研究了利用校准算法所得参数建立肢体坐标系的算法，在此基础上，又利用各个IMU的姿态估计信息建立了人体下肢关节角解算算法。设计仿真实验，分别验证了系统位置校准误差、系统姿态校准误差和IMU姿态估计误差对最终关节角估计误差的影响，预测了采用本次研究所选IMU和所建立的算法进行运动捕捉时的

6、关节角估计结果。也设计了膝关节角验证的实物实验，对算法进行了部分验证。关键词：运动捕捉；惯性测量单元；校准；最小二乘法；姿态估计；卡尔曼滤波-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractInertialhumanmotioncapturesystemisanautonomousnavigationmotioncapturesystem.Itdoesnotrequireanexternallaunchsource.Itcanperformmotioncaptureindoorsandoutdoors.Itiseasytowear,withnositerestrictio

7、nsandnodelay.Thisstudyisbasedontheinertialmeasurementsunits(IMU)ofthehumanlowerlimbmovementcapturealgorithm,thepurposeistoprepareforthedevelopmentofthehumanbodylowerlimbmovementcapturesystem,thissystemismainlyusedinpostoperativerehabilitationofpatientswithknee