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MEMS运动传感器道理:米乐m6官网

更新时间  2023-01-13 00:05 阅读
本文摘要:MEMS运动传感器道理 人体运动阐发是指通过必然的方法对人的运动举行捕获和记载,用于定量描述、阐发和评价人的运动的一门学科。人体运动阐发主要是使用运动捕获系统实现运动跟踪和行为识别两大主要任务,个中惯性式运动捕获系统主要接纳MEMS 传感器。MEMS传感器作为一种接纳微电子和微机械加工技能制造出来的新型传感器,具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量出产等特点,在惯性式运动捕获技能中发挥了重要感化。

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MEMS运动传感器道理 人体运动阐发是指通过必然的方法对人的运动举行捕获和记载,用于定量描述、阐发和评价人的运动的一门学科。人体运动阐发主要是使用运动捕获系统实现运动跟踪和行为识别两大主要任务,个中惯性式运动捕获系统主要接纳MEMS 传感器。MEMS传感器作为一种接纳微电子和微机械加工技能制造出来的新型传感器,具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量出产等特点,在惯性式运动捕获技能中发挥了重要感化。惯性式运动捕获系统中 丈量 人体运动的惯性传感器,也称之为 运动传感器 ,捕获和识别 身体差别部位的运动状态,可以部署在头部、上肢、下肢、手部等多个部位。

惯性传感器主要包括加快度计、 陀螺仪 、磁力计,在实际应用中,收罗的传感数据需颠末校准、误差检测和赔偿、数据融合后,用于阐发和跟踪人体运动。运动传感器道理 1.MEMS加快度计道理 MEMS加快度计分为三种:压电式、容感式、热感式。压电式MEMS加快度计运用的是压电效应,在其内部有一个刚体支撑的质量块,有运动的环境下质量块会发生压力,刚体发生应变,把加快度转酿成电信号输出。容感式MEMS加快度计内部也存在一个质量块,从单个单位来看,它是尺度的平板 电容器。

加快度的变化动员勾当质量块的移动从而改变平板 电容 南北极的间距和正对面积,通过丈量电容变化量来计较加快度。热感式MEMS加快度计内部没有任何质量块,它的中央有一个加热体,周边是 温度传感器 ,内里是密闭的气腔,事情时在加热体的感化下,气体在内部形成一个热气团,热气团的比重和周围的寒气是有差异的,通过惯性热气团的移动形成的热场变化让 感到器 感到到加快度值。由于压电式MEMS加快度计内部有刚体支撑的存在,凡是环境下,压电式MEMS加快度计只能感到到“动态”加快度,而不能感到到“静态”加快度,也就是我们所说的重力加快度。

而容感式和热感式既能感到“动态”加快度,又能感到“静态”加快度。2.MEMS陀螺仪道理 MEMS陀螺仪操纵科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。

实际的 MEMS陀螺仪的设计如下图。假如物体在圆盘上没有径向运动,科里奥利力就不会发生。

因此,在MEMS陀螺仪的设计上,这个物体被驱动,不断地往返做径向运动或者震荡,与此对应的科里奥利力就是不断地在横历来回变化,并有可能使物体在横向作微小震荡,相位正好与驱动力差90度。MEMS陀螺仪凡是有两个偏向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作 径向运动,横向的电容板丈量由于横向科里奥利运动带来的电容变化。

因为科里奥利力正比于角速度,所以由电容的变化可以计较出角速度。3.MEMS磁力计事情道理 MEMS磁力计就是通过丈量磁场强度和偏向来定位设备的方位的传感器。磁传感器 就 是感到情况磁场的变化,并把它转换为电信号,从而丈量出对应物理量的器件,主要应用在电子罗盘、磁场感到器、位置感到器等方案中。

磁场的丈量可以操纵霍尔效应、磁阻效应、 电磁感到 效应等道理。按照差别的道理可以制成多种MEMS磁力计。磁传感器遍及接纳AMR质料(AnisotropicMagneto-Resistance),如铁、钴、镍及其合金等,指当外部磁场与磁体内建磁场偏向成零度角时, 电阻 是不会跟着外加磁场强度变化而产生改变的,但当外部磁场与磁体的内建磁场有必然角度的时候,磁体内部磁化矢量会偏移,从而磁场偏向和 电流 偏向也会随之变化,导致电阻阻值也将产生变化。

从下图中可知,当电流偏向和磁体内磁化偏向成45度角度时,外部磁场给磁阻所引起 的电阻变化出现出的是线性关系,所以磁传感器在没有外部磁力影响时候的初始角度设定为45度,操纵这个线性关系再通过惠斯通 电桥 即可获得外界磁场值。人体运动系统分类应用 人体运动系统的应用规模较广,按照其研究阐发的主体,主要划分为全身运动阐发系统 和专用运动阐发系统。

全身运动阐发系统是指在人体全身各主要部位的关键点部署运动传感器,捕获阐发人体 各部位姿态和位置信息。常见的全身运动阐发系统有荷兰XSens科技公司的XSensMVN系统,英国Animazoo捕获系统、北京孚心科技的FOHEART Leo行动捕获套装。

1)XSensMVN: XSensMVN套装是XSens的一个重要产物,MVN惯性行动捕获系统,如下图所示,以奇特的微型惯性运动传输传感器(MTx)和无线Xbus 系统为基础,联合了切合生物力学设计的高效传感器等Xsens最新科技,可以或许及时捕获人体6自由度的惯性运动,同时将数据通过无线网络传输到 计较机 或条记本电脑中,及时记载和检察动态捕获效果。另外,该系统最奇特之处在于无需外部拍照机和发射器等装置,制止了多余的数据传输线或电源线对使用者的动作限制。

MVN套装,己经进入了影戏建造和电子游戏财产,可以不受情况光芒与空间间隔的限制,纯净的行动捕获数据不需要举行后处置惩罚即可录制完成,很是合用于各类及时的演出应用。XSens 的产物主要针对多个应用范畴,如,动画、医学、体育科学等。2)Animazoo: Animazoo是一个面向开辟人员的、动画驱动的行动捕获的软硬件系统。

它针对差别的应用范畴提供定制的运动捕获解决方案,代价和机能也因应用范畴和方式而各不沟通。AnimazooIGS-190-M物理惯性行动捕获系统安装简朴,小巧易存,且适合于户外应用情况。

除了这些与其它惯性系统雷同的特点外,AnimazooIGS-190-M与 其它物理惯性行动捕获系统的最大区别在于其可以或许与硬件同步,可以对模特髋部举行跟踪并提供整体定位数据(6自由度),这些功效都是普通惯性系统所缺少的。Animazoo公司开辟的超声波跟踪系统为声纳三角丈量装置,与“AnimazooIGS-190-M物理惯性行动捕获”毗连后,可将AnimazooIGS-190-M进级为“IGS-190-H物理惯性行动捕获”。

声纳装置发射的定位数据在电视直播、多演员演出中,尤其是可作为指南,对后期建造的 光学 机能数据举行清洁,消除恍惚不清有着重要感化。3)FOHEARTLeo行动捕获套装: FOHEARTLeo是北京孚心科技的一款产物,包罗33个节点笼罩全身,个中手部和手臂可以毗连hub单独举行使用,用于捕获手臂及手指的行动数据,如下图所示。个中,手部节点尺寸约12mm,10个节点可全方位笼罩手部的勾当节点,捕获较为精准。

专用运动阐发系统凡是只包罗几个运动传感器,安装在人体特定的某些身体部位,如头 部、手臂、下肢等,监测相应的运动特征和状态,可以将其主要划分为上半身和下半身的运动阐发。1)上半身运动阐发: 上半身运动阐发主要是针对使用者的头部,双臂,手部等部位举行运动捕获和监测。通过运动传感器追踪头部运动,获取虚拟现实(AR/ VR )和长途操作谁人中所需的头部信息;将多个惯性传感器安顿在双臂,捕获双臂运动姿态,可用于运动训练中的矫正和监测;数据手套可用于检测手指弯曲,操纵磁定位传感器来准确地定位脱手在三维空间中的位置,可举行虚拟场景中物体的抓取、移动、旋转等行动,为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段;腰部的运动传感器可以实现对人的重心的监测,可应用于跌倒检测。

2)下半身运动阐发: 下半身运动阐发主要是针对使用者的骨盆、大腿、小腿和脚部等部位举行运动捕获和阐发。将运动传感器绑在小腿上,操纵运动算法可以估算行走速度;足部的运动传感器可以实现对行走历程中的步态参数举行监测。

除了单一种类传感器的运用,惯性传感器可联合压 力传感器 、超声波传感器、反馈装置等,丈量步长、抬脚高度、步宽、足部轨迹等,并获取相应的反馈,用于步态阐发。运动传感器数据处置惩罚和融合 对惯性传感器的应用包括初始校准、数据处置惩罚和融合等。

MEMS加快度计可以丈量载 体在三轴偏向上的加快度,并可计较相应的速度,其在静态时丈量精度较高,在动态运动中存在线性加快度的滋扰。MEMS陀螺仪可丈量高速动弹下的动弹角速度,进一步运算可得角度信息,其拥有杰出的动态响应性,可是跟着时间的累积,会发生累积误差,产生漂移。

三轴磁力计通过感到本地的磁场通量计较载体方位姿态,地点地球磁场恒定稳定时,磁力计在静态下有杰出的丈量特性,不易随时间产生漂移,可是室内情况中磁力计容易受到铁磁扰动。因此,为得到人体位姿预计的成果,须解决两个关键问题:1)对传感器的误差举行赔偿和校正;2)接纳合适的算法融合各传感器数据。

1.传感器误差 从加快度计、陀螺仪、磁力计的角度出发,传感器误差的来历主要是随机漂移、线性加 速度滋扰和磁力计扰动。(1)随机漂移 随机漂移主要来历于加快度计和陀螺仪,可以将随机漂移举行相应的建模,使用卡尔曼 滤波器 等举行在线预计,从而及时赔偿该随机漂移。

(2)线性加快度 在跟踪人体运动时,加快度计凡是处于动态情况中,当人体运动的加快度相对于重力加 速度无法忽略时,此时按照加快度计丈量值计较出的俯仰角和横滚角会与真实值存在较大的误差,假如差池线性加快度计加以赔偿,就会引起动态精度的下降。为解决该类问题,可以将线性加快度扩张成系统的状态变量,通过各类滤波方法举行预计,一方面可以对线性加快度分量和重力加快度分量举行处置惩罚,另一方面按照线性加快度的巨细自适应调解加快度计量测噪声方差的巨细。

(3)磁力计扰动 当周围存在磁场滋扰时,出格是在室内情况中磁力计的丈量精度会受到很大的影响。磁 场滋扰可分为硬铁滋扰和软铁滋扰。硬铁滋扰发生于永久磁铁,这些滋扰源的巨细及与磁力计的相对位置固定,一般假设稳定,可做零偏处置惩罚。

软铁滋扰来自于磁力计四周的其余磁性质料的影响,软铁滋扰一般是时变的扰动。针对时变扰动,可以接纳基于阈值的方法或者基于模型的方法。2.数据融合 人体运动跟踪通过对信息的收罗、坐标系的变换,获得人体位姿预计的成果。然而,单 个传感器由于受到噪声滋扰等影响,往往导致姿态跟踪精度较低。

因此,多传感器信息融 合成 为提高姿态跟踪精度的杰出途径。人体运动跟踪中最常接纳的数据融合方法是互补滤波器和卡尔曼滤波器。

跟着微型芯片计较能力的提高,粒子滤波等数据融合方法也逐渐被用于在线预计人体的姿态。(1)互补滤波 加快度计和磁力计容易受到高频噪声的滋扰,陀螺仪容易受到随机漂移等低频噪声的干 扰,互补滤波器就是将加快度计和磁力计丈量的静态姿态通过低通滤波器去除高频分量,将陀螺仪丈量的动态姿态通过 高通 滤波器去除低频分量,从而实现姿态信息的融合预计。(2)卡尔曼滤波 卡尔曼滤波包括线性卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波等。下图所示为卡 尔曼滤波历程解析图。

卡尔曼滤波的焦点历程可以划分为两个部门:时间更新,即对下一步的状态变量举行预测;丈量更新,即按照丈量值对预测值举行必然的批改,获得估算值。通过设计差别的状态变量和观丈量,可以衍生出各类具有差别特点的姿态算法。

(3)粒子滤波 粒子滤波算法的焦点思想是操纵一系列随机样本的加权和近似后验概率密度函数,通过 求和来近似积分操作。该算法源于蒙特卡洛思想,即以某事件呈现的频率来暗示该事件的概率。因此在滤波历程中,需要用到概率的处所,对变量采样,以大量采样及其相应的权值来近似暗示概率密度函数。基于惯性传感器的人体运动阐发技能,借助穿着在身体各部位的MEMS传感器,通过数据处置惩罚、融合和姿态解算方法可及时跟踪阐发人体运动姿态,其在康复治疗、影视建造、体育训练等范畴获得了遍及应用,将来在开展基于惯性传感器的人体运动阐发时,传感器和算法依旧是研究的重点。

参考资料: 1.基于惯性传感器的运动感知机制研究 2.面向人体运动跟踪的IMU_TOA融合定位模型与机能优化研究 3.人体运动姿态传感器抗磁场和大加快度滋扰的方法及其步态阐发应用研究 4.Effec ti ve Adaptive Kalman Fil te r for MEMS-IMU/Magnetomete rsIntegrated Attitude and He adi ng Reference Systems 5.A Review of Accele rom eter Sensor and Gyroscope Sensor in IMU Sensors on Motion Capture 作者:凌霄 浙江大学 机械 电子专业博士,从事智能传感与人机交互,智能呆板人节制等范畴的研究返回,检察更多。


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