Система захвата движения

 

Полезная модель относится к средствам сбора, обработки и передачи данных от датчиков, предназначена для захвата движения с помощью инерциальных микромеханических (МЭМС) датчиков и технологии беспроводной сенсорной сети (на основе стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee) и может быть использована в системах виртуальной реальности, медицинской и спортивной технике, игровых и симуляционных системах, кинематографе, робототехнике. Технической задачей является создание мобильной беспроводной системы захвата движения, обеспечивающей высокую точность измерений параметров движения (ориентация и положение) конечностей человека, животных или технических средств, которую можно использовать для захвата движения вне специально оборудованного помещения. Система захвата движения включает, по меньшей мере, одно мобильное измерительное устройство для определения и передачи данных с параметрами захватываемого движения, по меньшей мере, один приемник сигналов, связанный беспроводными каналами связи с, по меньшей мере, одним мобильным измерительным устройством, блок обработки, хранения и визуализации данных, соединенный с приемником данных, при этом мобильное измерительное устройство включает источник автономного питания, модуль беспроводной сенсорной сети, инерциальный измерительный модуль, соединенный каналами связи с модулем беспроводной сенсорной сети для калибровки и беспроводной передачи данных в блок обработки, хранения и визуализации данных. Инерциальный измерительный модуль включает трехосный датчик угловой скорости, трехосный датчик ускорения, трехосный датчик магнитного поля, датчик температуры и соединенный с ними каналами связи микроконтроллер, обрабатывающий поступающие с датчиков сигналы. Модуль беспроводной сенсорной сети включает приемопередатчик и обладает интерфейсами сопряжения I2C, SPI, UART, ЦАП/АЦП для подключения инерциального измерительного модуля. Технический результат заключается в повышении точности измерений параметров движения (ориентация и положение) конечностей человека, животных или технических средств.

Полезная модель относится к средствам сбора, обработки и передачи данных от датчиков, предназначена для захвата движения с помощью инерциальных микромеханических (МЭМС) датчиков и технологии беспроводной сенсорной сети (на основе стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee) и может быть использована в системах виртуальной реальности, медицинской и спортивной технике, игровых и симуляционных системах, кинематографе, робототехнике.

Захват движения (Motion capture) - это метод анимации персонажей и объектов. Метод применяется в производстве CGI-мультфильмов, а также для создания спецэффектов в фильмах. Широко используется в игровой индустрии.

Известны решения, относящиеся к измерительным приборам (устройствам), предназначенным для определения параметров движения тела и конечностей человека.

Известна инерциальная система определения параметров движения тела и конечностей человека на основе молекулярно-электронных датчиков по патенту РФ 91275, МПК А61В 5/00, опубл. 10.02.2010. Инерциальная система определения параметров движения конечностей человека состоит, по крайней мере, из одного высокочувствительного широкополосного датчика линейных движений, или одного высокочувствительного широкополосного датчика угловых движений, закрепленных на теле и/или конечностях человека, блока управления, включающего аналоговый блок питания, усиления, фильтрации и температурной коррекции сигнала, АЦП, накопитель данных и проводной или беспроводной интерфейс для передачи данных на персональный компьютер.

Недостатком известной системы является невозможность получения полной информации о движении человека в целом и невысокая точность определения параметров движения человека, так как в системе используются датчики линейных и угловых движений, выполненные с использованием жидкостной инерционной массы и молекулярно-электронного чувствительного элемента, преобразующего движение жидкости в электрический сигнал, не обеспечивающие требуемой точности измерений и начальной калибровки системы.

Известны способ отслеживания и отображения положения и ориентации пользователя в пространстве и система для осуществления способа по патенту РФ 2107328, МПК G09B 19/10, опубл. 20.03.1998. - прототип.

Система отслеживания и отображения положения и ориентации пользователя в пространстве, содержит множество датчиков параметров движения, размещенных на частях тела пользователя, в качестве которых использованы датчики относительных углов поворота, размещенные в непосредственной близости от основных сочленений между сегментами опорно-двигательной системы пользователя или на самих сегментах, средство преобразования сигналов датчиков в требуемую форму их представления, блок обработки измеренных данных, вход которого соединен с выходом средства преобразования, блок отображения пространственного положения и ориентации пользователя, связанный с блоком обработки измеренных данных, средство определения опорных направлений, размещенное по меньшей мере на одном из сегментов опорно-двигательной системы пользователя, блок опроса, соединенный каналами опроса с датчиками параметров движения и средством определения опорных направлений,

В известном способе определяются параметры перемещения частей тела пользователя, преобразуются полученные данные измерений в требуемую форму их представления и обрабатываются совокупности преобразованных данных для получения данных, определяющих положение и ориентацию пользователя в пространстве. Для этого у каждого из основных сочленений сегментов опорно-двигательной системы пользователя закрепляют средство определения, по меньшей мере, одного угла между сегментами, примыкающими к соответствующему сочленению. Определяется ориентация и положение пользователя в целом в пространстве на основе полученных значений углов и ориентации, по меньшей мере, одного сегмента, на котором размещено средство определения опорных направлений.

Недостатком известной системы является невысокая точность определения параметров движения человека и большие габариты из-за использования в качестве датчика относительного угла поворота тензодатчика или оптико-волоконного датчика, а в качестве средства определения опорных направлений - датчика местной вертикали или датчик гравитации. Кроме того, известная система немобильна, неудобна в использовании, так как предполагает для отслеживания и отображения положения и ориентации пользователя наличие специально оборудованного помещения.

Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание мобильной беспроводной системы захвата движения, обеспечивающей высокую точность измерений параметров движения (ориентация и положение) конечностей человека, животных или технических средств, которую можно использовать для захвата движения вне специально оборудованного помещения.

Поставленная техническая задача решается тем, что, согласно предложенной полезной модели, система захвата движения включает, по меньшей мере, одно мобильное измерительное устройство для определения и передачи данных с параметрами захватываемого движения, по меньшей мере, один приемник сигналов, связанный беспроводными каналами связи с, по меньшей мере, одним мобильным измерительным устройством, блок обработки, хранения и визуализации данных, соединенный с приемником данных, при этом мобильное измерительное устройство включает источник автономного питания, модуль беспроводной сенсорной сети, инерциальный измерительный модуль, соединенный каналами связи с модулем беспроводной сенсорной сети для калибровки и беспроводной передачи данных в блок обработки, хранения и визуализации данных.

Кроме того, инерциальный измерительный модуль включает трехосный датчик угловой скорости, трехосный датчик ускорения, трехосный датчик магнитного поля, датчик температуры и соединенный с ними каналами связи микроконтроллер, обрабатывающий поступающие с датчиков сигналы.

Кроме того, модуль беспроводной сенсорной сети включает приемопередатчик и обладает интерфейсами сопряжения I2C, SPI, UART, ЦАП/АЦП для подключения инерциального измерительного модуля.

Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупности существенных признаков заявляемой полезной модели, заключается в повышении точности измерений параметров движения (ориентация и положение) конечностей человека, животных или технических средств.

Используемые в заявляемой полезной модели для определения углов поворота и перемещения трехосные датчики ускорения, датчики угловой скорости, датчики магнитного поля, обладают большей точностью и меньшими размерами, по сравнению с датчиками, используемыми в прототипе, что обеспечивает высокую точность измерения системой параметров движения. Кроме того, прикрепляемые к частям тела человека датчики являются беспроводными и соединены с блоком обработки, хранения и визуализации данных беспроводной сенсорной сетью, что лишает систему недостатка, связанного с необходимостью использования для захвата движения специально оборудованного помещения и обеспечивает мобильность системы.

Сущность полезной модели поясняется рисунком, где на фиг.1 представлена блок-схема системы, содержащая следующие позиции:

1 - система захвата движения;

2 - мобильное измерительное устройство;

3 - инерциальный измерительный модуль;

4 - датчик угловой скорости;

5 - датчик ускорения;

6 - датчик магнитного поля;

7 - датчик температуры;

8 - микроконтроллер;

9 - модуль беспроводной сенсорной сети;

10 - приемник сигналов;

11 - блок обработки, хранения и визуализации данных.

Система захвата движения 1 разработана на основе технологии беспроводной сенсорной сети (стандарт IEEE 802.15.4/ZigBee) и инерциальных датчиков.

Система содержит связанные беспроводными каналами связи, по меньшей мере, одно мобильное измерительное устройство 2, по меньшей мере, один приемник 10 сигналов, блок 11 обработки, хранения и визуализации данных.

Мобильное измерительное устройство имеет интерфейс UART/USB для программирования и отладки.

Мобильное измерительное устройство 2 состоит из инерциального измерительного модуля 3, модуля 9 беспроводной сенсорной сети, источника автономного питания (на фиг.1 не показан). Каждое мобильное измерительное устройство может быть оснащено отдельным автономным источником питания (батареи или аккумуляторы), либо несколько измерительных устройств могут быть объединены общим источником питания.

В качестве инерциального измерительного модуля используется инерциальный измерительный модуль, выполненный по технологии МЭМС.

В заявляемой конструкции полезной модели совместно с датчиками линейных ускорений и угловых движений используются МЭМС датчики магнитного поля - магнитометры. Их использование позволяет получать наиболее полную информацию о движении человека в целом и повышает точность определения параметров движения человека

Инерциальный измерительный модуль 3 включает трехосный датчик 4 угловой скорости (гироскоп), трехосный датчик 5 ускорения (акселерометр), трехосный датчик 6 магнитного поля (магнитометр), датчик 7 температуры и микроконтроллер 8, обрабатывающий сигналы, получаемые от датчиков 4, 5, 6, 7.

Использование в заявляемой конструкции полезной модели совместно с датчиками линейных ускорений и угловых движений МЭМС датчиков магнитного поля - магнитометров - позволяет получать наиболее полную информацию о движении человека (животного) в целом и повышает точность определения параметров движения объекта.

Инерциальный измерительный модуль подключается к модулю 9 беспроводной сенсорной сети по одному или нескольким интерфейсам: I2C, SPI, UART, АЦП/ЦАП. Передача получаемых данных осуществляется по беспроводному каналу связи по стандарту IEEE802.15.4/ZigBee, либо через интерфейс UART/USB (в случае подключения к модулю напрямую).

Модуль 9 беспроводной сенсорной сети включает приемопередатчик (он может иметь как встроенную антенну, так и усиленную внешнюю антенну) и обладает интерфейсами сопряжения I2C, SPI, UART, ЦАП/АЦП для подключения инерциального измерительного модуля.

Использование беспроводной сенсорной сети позволяет значительно увеличить число одновременно используемых беспроводных измерительных устройств в рамках одной сети. Таким образом, обеспечивается расширяемость и мобильность системы. Использование сенсорной сети обеспечивает более точную начальную калибровку системы

Приемник 10 сигналов представляет собой устройство, включающее в себя модуль сенсорной сети. Приемник формирует сенсорную сеть. Он может быть либо подключен к источнику автономного питания (батареи или аккумуляторы), либо получать питание через интерфейс USB. Приемник включает встроенную антенну и/или усиленную внешнюю антенну, интерфейс UART/USB для программирования, отладки и взаимодействия с блоком 11 хранения, обработки и визуализации данных

Заявляемая система работает следующим образом.

Одно или нескольких мобильных измерительных устройств 2 крепятся к частям тела человека, животного или техническому устройству.

Данные положения, ориентации с датчиков 4, 5, 6, 7 поступают и обрабатываются в микроконтроллере 8, который снабжен программным обеспечением фильтрации и объединения данных ((например, фильтр Калмана с использованием кватернионов)). Использование нескольких типов датчиков позволяет повысить точность определения параметров движения. Обработанные данные с выхода микроконтроллера 8 подаются на вход модуля 9 беспроводной сенсорной сети, затем, по беспроводному каналу связи передаются на вход приемника 10. Из приемника 10 сигналы с информацией через интерфейс соединения передаются на вход блока 11 обработки, хранения и визуализации данных. В блоке 11 полученные данные подвергаются дополнительной обработке, визуализируются и сохраняются для последующего использования. В качестве блока 11 хранения, обработки и визуализации данных можно использовать персональный компьютер. Управление с персонального компьютера позволяет производить настройку системы, калибровку датчиков, конфигурировать беспроводную сенсорную сеть, передавать управляющие сигналы на приемник и носимые измерительные устройства. Добавление носимых измерительных устройств в сеть может происходить как в ручном, так и в автоматическом режиме. Захват движения может производиться как в закрытых помещениях, так и на открытых пространствах. С помощью предлагаемой полезной модели может производиться захват движения конечностей человека, животных и различных технических устройств. Например, для захвата движения верхней части тела человека может использоваться от 8 измерительных устройств, нижней части - от 7 устройств. Захвата движения полного тела - от 15-ти устройств. В качестве технического устройства для захвата движения может использоваться, например, теннисная ракетка для симулятора тенниса. В этом случае используется 1 измерительное устройство, которое встраивается в ракетку.

Новизна заявляемой полезной модели состоит в использовании беспроводной сенсорной сети совместно с инерциальными датчиками для определения параметров движения человека, животного или технических устройств.

Использование беспроводной сенсорной сети для измерительной системы обеспечивает расширяемость системы измерения параметров движения, ее мобильность, простоту в развертывании и калибровке. Измерение параметров движения может производиться как в искусственно организованной закрытой от внешних воздействий окружающей среде, так и в природных условиях на открытых пространствах.

1. Система захвата движения, включающая, по меньшей мере, одно мобильное измерительное устройство для определения и передачи данных с параметрами захватываемого движения, по меньшей мере, один приемник сигналов, связанный беспроводными каналами связи с, по меньшей мере, одним мобильным измерительным устройством, блок обработки, хранения и визуализации данных, соединенный с приемником данных, при этом мобильное измерительное устройство включает источник автономного питания, модуль беспроводной сенсорной сети, инерциальный измерительный модуль, соединенный каналами связи с модулем беспроводной сенсорной сети для калибровки и беспроводной передачи данных в блок обработки, хранения и визуализации данных.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что инерциальный измерительный модуль включает трехосный датчик угловой скорости, трехосный датчик ускорения, трехосный датчик магнитного поля, датчик температуры и соединенный с ними каналами связи микроконтроллер, обрабатывающий поступающие с датчиков сигналы.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что модуль беспроводной сенсорной сети включает приемопередатчик и обладает интерфейсами сопряжения I2C, SPI, UART, ЦАП/АЦП для подключения инерциального измерительного модуля.



 

Похожие патенты:

Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерения

Полезная модель относится к медицинской технике и может использоваться для ориентации слепых и слабовидящих людей.

Система дистанционного непрерывного мониторинга физиологических параметров человека относится к медицинской технике, а именно к устройствам длительного мониторинга физиологических параметров, прежде всего ЭКГ
Наверх