基于惯性传感器的人体姿态跟踪系统的设计与实现.pdf

摘要

随着近年来电子信息技术的蓬勃发展，人体姿态跟踪技术也越来越广泛地被

应用于人们的多种生活场景。基于惯性传感器的人体姿态跟踪系统具有抗干扰能

力强、成本低、适用场景多等优点，成为了近几年的热门研究方向。但商用的人体

姿态跟踪系统价格不菲、系统不开源。因此，本文以设计基于惯性传感器的人体姿

态跟踪系统为研究课题，着重研究了惯性传感单元的设计与误差校正、姿态解算算

法、上位机人体姿态跟踪算法。主要本文的主要工作如下：

1.针对低成本惯性传感器存在的测量噪声大、数据漂移等问题，本文对惯性传

感单元建立了相应的误差模型，针对三种传感器分别进行了校正，提高了惯性传感

单元的测量精度和数据稳定性。

2.通过实验方法分析比较了应用最为广泛的姿态解算算法——Madgwick算法

和Mahony算法，并最终确定采用Madgwick算法作为本系统的姿态解算算法。

3.根据人体骨骼系统抽象并设计出上位机的人体模型，同时设计了基于姿态感

知的根节点切换的人体姿态跟踪算法，最后通过软件设计实现了该算法。

4.通过实验验证本文所设计的人体姿态跟踪系统，首先对人体静态动作的复现

进行了定性实验，实验被试者与上位机人体模型的动作一致性较好；对人体走路的

对地位移进行了定量实验，测量误差在1%左右；对人体动作的角度进行了跟踪定

量对比实验，测量误差为3.4°；最后用视频与数据帧分析的方法测试了系统的延

时，延时为0.3s。

本文所设计的人体姿态跟踪系统能够完成在日常活动情况下对人体姿态较为

准确的跟踪，且性能指标满足本研究设定的要求。

关键词：人体姿态跟踪，惯性传感器，四元数，姿态解算，对地位移

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofelectronicinformationtechnologyinrecentyears,

posturetrackingtechnologyhasbeenwidelyusedinpeoplesvariouslifescenes.The

humanposturetrackingsystembasedoninertialsensorhastheadvantagesofstronganti-

interferenceability,lowcost,andmanyapplicablescenarios,andhasbecomeapopular

researchdirectioninhumanposturetrackinginrecentyears.However,thecommercial

bodyposturetrackingsystemisexpensiveandnotopensource.Therefore,thispaper

focusesonthedesignanderrorcorrectionofinertialsensorunit,attitudecalculation

algorithmandhumanposturetrackingalgorithmofuppercomputer.Themainworkof

thispaperisasfollows:

1.Inviewoftheproblemsoflowcostinertialsensors,suchashighmeasurement

noiseanddatadrift,thispaperestablishesthecorrespondingerrormodelfortheinertial

sensorunit,andcorrectsthethreesensorsrespectivelytoimprovethemeasurement

accuracyanddatastabilityoftheinertialsensorunit.

2.Themostwidelyusedattitudealgorithm--Madg