基于微慣性技術(shù)的人體頭部運動姿態(tài)測量

張 天，王 強，牛海濤，靳舒馨

(1.中國兵器工業(yè)計算機應(yīng)用技術(shù)研究所，北京100089；2.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094)

0 引言

隨著現(xiàn)代軍事裝備的智能化升級，智能化武器裝備對智能控制提出了更高的需求[1-2]。頭盔瞄準(zhǔn)鏡、光電觀察云臺作為典型的智能化裝備，將武器站、光電云臺等受控對象與操控人員的頭部運動直接結(jié)合，實現(xiàn)自然的人機交互方式，提升了作戰(zhàn)效率[3-4]。然而，武器站、光電云臺等隨動受控對象并未按照人體頭部的運動特性進(jìn)行設(shè)計，難以滿足執(zhí)行器對實時性、準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性的全部需求，出現(xiàn)控制延遲大、執(zhí)行精度低、交互體驗差等問題，限制了此類智能裝備的應(yīng)用空間。

為實現(xiàn)人體頭部運動規(guī)律的準(zhǔn)確表征，本文使用小型六軸微機電慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)作為傳感單元，通過姿態(tài)解算獲取人體頭部運動過程中的實時姿態(tài)信息[5]。戰(zhàn)術(shù)級微慣性器件因其較高采樣頻率與較低噪聲[6]在消除零偏后可在短時間內(nèi)實現(xiàn)高精度實時測量，并因其體積小、質(zhì)量小的特性，可真實還原人體頭部運動特性。

術(shù)中導(dǎo)絲斷裂分析其主要原因是操作技術(shù)不當(dāng)，置入椎弓根螺釘時出現(xiàn)與導(dǎo)絲成角，螺釘旋入過程將導(dǎo)絲截斷，其次是導(dǎo)絲反復(fù)使用。

基于上述原理，為全面反映人體頭部運動的靜態(tài)特性與動態(tài)特性，本文設(shè)計了頭部快速位置響應(yīng)、頭部正弦擺動響應(yīng)兩組采集實驗，結(jié)合姿態(tài)解算算法獲取了多組數(shù)據(jù)分析頭部運動的典型參數(shù)，并從中分析出了極限加速度、極限擺動頻率等幾個典型的運動特征指標(biāo)。

1 姿態(tài)信息采集

在實際應(yīng)用中，MEMS慣性測量單元輸出為載體坐標(biāo)系三個軸向的加速度(比力)與角速度信息。需通過姿態(tài)算法根據(jù)上一時刻的姿態(tài)信息與三軸陀螺輸出，更新載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的姿態(tài)信息，完成體感信息的獲取[7-8]。在本文中，選用的是商用六軸微機電慣性測量單元ADIS16475-2，常 溫漂移量小于5(°)／h、量程大于300(°)／s的便可滿足體感控制需求[9]。六軸慣性傳感器ADIS16475對外數(shù)據(jù)接口為串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)同步全雙工串行通信總線，具備同步觸發(fā)功能，可實現(xiàn)慣性數(shù)據(jù)的實時獲取。但SPI協(xié)議無法實現(xiàn)長距離傳輸，在實際應(yīng)用中使用單片機STM32F103完成數(shù)據(jù)的采集與解算，并通過RS422的4線全雙工差分傳輸實時發(fā)送至上位機完成采集過程，其硬件原理如圖1所示。此部分通信延遲主要存在于采集與傳輸延遲、異步通信延遲，總延遲小于微秒量級。

圖1 搭載ADIS16475的STM32最小系統(tǒng)Fig.1 STM32 minimum system equipped with ADIS16475

2 IMU姿態(tài)解算

三維空間中任意兩個坐標(biāo)系的角位置關(guān)系可通過三次姿態(tài)角基本旋轉(zhuǎn)(Euler旋轉(zhuǎn))或一次四元數(shù)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對齊，并且兩種旋轉(zhuǎn)方式的轉(zhuǎn)換矩陣存在等價關(guān)系。因此，可以通過IMU數(shù)據(jù)采集與四元數(shù)更新實時獲取載體姿態(tài)信息[10]。

琮的基本形制為方，說明它主要用來祭地，然而它內(nèi)有圓孔，也就兼含天的意義。琮既然兼有地與天兩重意義，自然用作墓主人的身份的標(biāo)志，自然比璧合適。

圖2 空間角位置旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of spatial angle rotation

比照式(1)、式(2)，可求解姿態(tài)角

設(shè)定航向角為ψ，俯仰角為θ，橫滾角為γ，如圖2所示，則由導(dǎo)航坐標(biāo)系(n系)至剛體固連坐標(biāo)系(b系)的相應(yīng)三次姿態(tài)角旋轉(zhuǎn)矩陣為

設(shè)計頭部快速位置響應(yīng)實驗以模擬頭部對外部階躍信號的姿態(tài)響應(yīng)，獲取頭部轉(zhuǎn)動時的靜態(tài)信息。在實驗中，測試者頭部從起始位置依次快速轉(zhuǎn)頭到A、B、C、D、E五個位置，并在每個位置停留一小段時間，如圖4所示。

式(6)中，Q(tk)為當(dāng)前時刻四元數(shù)，Q(tk－1)為上一時刻四元數(shù)。按照式(6)更新四元數(shù)后，再通過式(3)求解姿態(tài)角，完成姿態(tài)解算。

采集兩組患者的臨床資料、臨床特征及冠狀動脈造影特點，并進(jìn)行分析。冠狀動脈造影術(shù)應(yīng)用Judkins法，經(jīng)撓動脈或股動脈進(jìn)行穿刺，并將6F或7F血管鞘置入。

就圖6的單次測試數(shù)據(jù)來看，頭部對單點階躍信號的運動響應(yīng)更近似多階系統(tǒng)，體現(xiàn)在頭部到達(dá)指定位置點時測得的角度存在小幅超調(diào)。相鄰點之間的頭部運動時間約為300ms，因生理結(jié)構(gòu)限制，極限角速度持續(xù)時間十分短暫，僅為100ms左右。另外從靜止時的數(shù)據(jù)可以看出，即使在頭部穩(wěn)定時，姿態(tài)輸出也有一定范圍的波動，該范圍在1°以內(nèi)。

如圖5所示,去除了高頻調(diào)制后,得到了提取的一次諧波和二次諧波信號,其中抖動波形是由于光路或電路系統(tǒng)帶來的低頻噪聲所引起,對上述信號采用平滑濾波等數(shù)據(jù)處理方法處理后,根據(jù)甲烷氣體檢測原理進(jìn)行一次諧波和二次諧波的比值計算。

式(4)中，Q為四元數(shù)，為載體固連坐標(biāo)系b到參考坐標(biāo)系R的變換角速度，為捷聯(lián)慣導(dǎo)輸出，由姿態(tài)更新的最新值確定，分別為位置速率和地球自轉(zhuǎn)速率，兩者在本文中可近似忽略為0。將式(4)的四元數(shù)運算寫成矩陣形式，即

另外，新公司在戰(zhàn)略上的調(diào)整還體現(xiàn)在將市場從一線城市向二線和三線城市擴展。由于中國區(qū)域發(fā)展不平衡，不同區(qū)域?qū)υO(shè)施的技術(shù)需求不同，我們將加大研發(fā)方面的投入，通過研發(fā)能力的提高和當(dāng)?shù)厝瞬诺呐囵B(yǎng)實現(xiàn)技術(shù)本地化，為當(dāng)?shù)乜蛻籼峁┻m應(yīng)其實際需求的產(chǎn)品和技術(shù)，從而盡快進(jìn)入目標(biāo)市場。

3 頭部姿態(tài)采集實驗

將IMU與第1節(jié)所述的硬件采集電路固定在頭部前額處，并將輸出IMU數(shù)據(jù)的采集串口連接到采集計算機上，在采集計算機上應(yīng)用第2節(jié)的算法獲取頭部運動姿態(tài)的角度信息，具體如圖3所示。完成實驗設(shè)備布置后，設(shè)計了頭部快速位置響應(yīng)、頭部正弦擺動響應(yīng)兩組采集實驗來表征人體頭部的運動特性。

圖3 實驗采集IMU實物圖Fig.3 Physical picture of IMU collector

3.1 實驗一：頭部快速位置響應(yīng)實驗

為實現(xiàn)四元數(shù)的實時更新，還需要建立四元數(shù)微分方程

圖4 頭部快速位置響應(yīng)實驗示意圖Fig.4 Schematic diagram of head fast position response experiment

為避免超出人體轉(zhuǎn)動范圍，A、B、C、D、E五個位置交錯分布在正前方±60°范圍內(nèi)。該實驗共重復(fù)10次，測得的數(shù)據(jù)如圖5(多次測量)、圖6(多次測量中截取的單次測量結(jié)果)所示。

圖5 多次測量的快速位置響應(yīng)實驗Fig.5 Fast position response experiment with multiple measurements

圖6 單次測量的快速位置響應(yīng)實驗Fig.6 Fast position response experiment with single measurement

從人體頭部姿態(tài)運動的速度與加速度實測結(jié)果可以看出，人體頭部運動的極限速度與加速度很高，但維持時間較短。在設(shè)計隨動機電系統(tǒng)時可根據(jù)此數(shù)據(jù)提出響應(yīng)特性需求，并且為減少機電系統(tǒng)延遲，應(yīng)盡可能匹配頭部運動的速度與加速度指標(biāo)。

由式(5)可知，在算法實際使用中，只要初始四元數(shù)已知，便可根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)陀螺輸出(采樣間隔已知)實時更新四元數(shù)，寫為迭代形式

此外，筆者建議將高校法學(xué)院法律診所的學(xué)生吸納到社區(qū)矯正工作中。相較于其他的志愿者，法律診所的學(xué)生具備專業(yè)的法律知識背景，對社區(qū)矯正工作也有一定的了解，具有明顯的優(yōu)勢。如果吸納他們參與社區(qū)矯正工作，他們定會快速地掌握工作流程和方法，負(fù)責(zé)相應(yīng)的工作。

從10次的測試數(shù)據(jù)可以看出，頭部運動周期約為5s左右，運動范圍在±60°內(nèi)，與位置點分布間隔相同。受眼部運動影響，多次運動中頭部再次到達(dá)固定位置時存在位置偏差，該偏差在4°以內(nèi)。雖然不同次測量的重復(fù)精度有限，但角度變化趨勢大體相同，通過差分計算得到頭部角速度極限值接近 600(°)／s。

3.2 實驗二：頭部正弦擺動響應(yīng)實驗

設(shè)計頭部正弦擺動響應(yīng)實驗以模擬頭部對外部正弦信號的姿態(tài)響應(yīng)，獲取頭部轉(zhuǎn)動時的動態(tài)數(shù)據(jù)，如圖7所示。在實驗中，測試者在舒適范圍內(nèi)以最大振幅往復(fù)快速擺頭20次，共重復(fù)3組。

圖7 頭部正弦擺動響應(yīng)實驗示意圖Fig.7 Schematic diagram of head sinusoidal swing response experiment

記錄頭部的姿態(tài)數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 多次測量的正弦擺動響應(yīng)實驗Fig.8 Sinusoidal swing response experiment with multiple measurements

從3組實驗數(shù)據(jù)可以看出，頭部往復(fù)運動的角度幅度在 50°左右， 角速度幅值在 500(°)／s左右，二者均比頭部快速位置響應(yīng)實驗中測得的數(shù)值小。為進(jìn)一步獲取擺動的頻率信息，對單組正弦擺動的角速度采樣進(jìn)行Fourier分解，數(shù)據(jù)如圖9所示，測得運動的主頻約為1.546Hz，速度幅值為 379.5(°)／s。

阿里研究院與德勤研究聯(lián)合發(fā)布報告《平臺經(jīng)濟(jì)協(xié)同治理三大議題》，報告提出了平臺經(jīng)濟(jì)協(xié)同治理三大挑戰(zhàn)：權(quán)益保護(hù)、合理稅收和公平競爭，德勤預(yù)計中國平臺經(jīng)濟(jì)規(guī)模將會在2030年突破100萬億。報告提到，2016年中國電子商務(wù)交易額超過20萬億元，網(wǎng)民7.1億，互聯(lián)網(wǎng)普及率達(dá)到51.7%，平臺經(jīng)濟(jì)已經(jīng)占據(jù)了GDP的10.5%，如今平臺經(jīng)濟(jì)正為中國經(jīng)濟(jì)營造出熱氣騰騰的發(fā)展場景。截止至2017年7月，全球十大平臺經(jīng)濟(jì)體市值已經(jīng)超過十大傳統(tǒng)跨國公司，其中中國公司占三席[5]。

從正弦擺動實驗結(jié)果可以看出，人體頭部運動對系統(tǒng)響應(yīng)頻率的要求較高，小型機電設(shè)備容易達(dá)到此運動指標(biāo)，但大型隨動平臺設(shè)計時應(yīng)考慮針對此指標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)機電性能。如果峰值速度與加速度無法達(dá)到上述要求，將體現(xiàn)出隨動系統(tǒng)整體時間延遲。

圖9 正弦擺動響應(yīng)的Fourier分解Fig.9 Fourier decomposition of sinusoidal swing response

3.3 實驗小結(jié)

快速位置響應(yīng)實驗?zāi)鼙容^全面地反映出真實環(huán)境下人體頭部在不同觀察目標(biāo)之間切換的點到點運動特性，數(shù)據(jù)表明人體頭部運動具有很大的瞬態(tài)速度與加速度，但運動持續(xù)時間較短，可對隨動系統(tǒng)的基本性能進(jìn)行約束。正弦擺動實驗?zāi)軌蚍从吵鋈梭w頭部對周圍環(huán)境連續(xù)偵查情況下的動態(tài)特性，其固有頻率與振幅可以成為極限環(huán)境下隨動系統(tǒng)連續(xù)動作的評判標(biāo)準(zhǔn)。上述實驗的主要誤差源于IMU零偏與噪聲引起的測量誤差，相比于測量值的波動性可以忽略不計。

4 結(jié)論

本文借助微慣性技術(shù)針對人體頭部運動特征描述進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過頭部快速位置響應(yīng)、頭部正弦擺動響應(yīng)測得人體頭部極限速度約600(°)／s、0(°)／s～600(°)／s 的加速時間約 100ms、極限擺動頻率約1.546Hz等多個運動特性，為軍事裝備中隨動執(zhí)行器機電特性設(shè)計提供了參考依據(jù)。后續(xù)研究可結(jié)合攝像頭實現(xiàn)視覺與IMU的融合姿態(tài)測量，對人體頭部運動進(jìn)行長時間監(jiān)測，為機載、車載隨動機電系統(tǒng)優(yōu)化提供更多信息。