基于惯性测量单元的上肢位置跟踪技术研究

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1、天津大学硕士学位论文基于惯性测量单元的上肢位置跟踪技术研究InertialMeasurementUnitsBasedHandPositionTrackingTechnologyResearch学科专业：仪器仪表工程研究生：刘丽明指导教师：吴斌副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院2017年12月中文摘要脑卒中又称中风，近年来，其发病率逐渐升高，且患者多以肢体偏瘫的形式出现，其中上肢偏瘫占了很大一部分。康复训练可以一定程度上减缓患者的病情，传统的康复训练过分依赖康复医生的指导。近年来，辅助康复训练方法得到很大的发

2、展，包括基于机械、光学、电磁、声波和视频原理的运动跟踪系统。但这些系统存在安装成本高，对患者训练动作有限制以及价格昂贵等缺陷，且精度都有待提高。MEMS技术的全面发展极大的推动了惯性传感技术的进步，以基于MEMS技术的惯性测量单元为传感器的惯性导航式跟踪系统被更多应用在人体康复领域。惯性测量单元具有短时定位精度高、体积小、质量轻、对患者的动作限制少、成本低等优势。基于此，本文拟设计一种基于惯性测量单元的上肢位置跟踪方案，记录患者康复训练时上肢运动的速度、位置、姿态等信息，并根据标准康复训练的要求对患者的训练进行

3、指导和纠正。惯性测量单元在长时间导航的情况下，漂移误差逐渐累积，定位精度急剧下降，针对此特点，本文主要开展了以下研究工作以提高系统精度：1.设计了捷联惯导算法，采用四元数算法进行姿态更新，同时根据坐标系转换关系将加速度信息转换到载体坐标系，积分进一步得到目标的速度、位置等信息。2.根据标准康复训练中手臂做屈伸运动时速度周期性为零的特征，引入零速修正技术。采用姿态检测最优算法检测目标速度为零的时刻，并触发卡尔曼滤波。3.将零速区间的“零速度”信息作为量测值进行卡尔曼滤波，对系统的速度、姿态、位置、加速度计和陀螺仪

4、常值零偏误差进行估计，并将估计结果反馈至捷联惯导算法单元以修正捷联惯性导航的累积误差。4.在标准卡尔曼滤波的基础上，设计了后向的RTS固定区间平滑算法，将平滑结果反馈至捷联惯导算法单元，进一步对导航参数进行校正，同时解决了零速修正引起的运动轨迹的突变问题。通过多组仿真和实验验证，本文提出的基于惯性测量单元的跟踪方案可以有效的实现患者康复训练时的上肢位置跟踪，在运动时间为108秒的情况下，定位误差为运动路程的0.089%，满足辅助康复训练的精度要求。关键词：捷联惯性导航，零速检测，卡尔曼滤波，RTS固定区间平滑I

5、ABSTRACTCerebralapoplexyisalsoknownasstroke.Inrecentyears,theincidenceofthisdiseasehasgraduallyincreased,andmostofthepatientscaughtthediseaseoflimbhemiplegia,ofwhichupperlimbhemiplegiaaccountedforalargepart,tosomeextent,rehabilitationtrainingcanslowthepatien

6、ts’disease.However,theeffectoftraditionalrehabilitationtrainingdependsontheguidanceofrehabilitationdoctorstoomuch.Inrecentyears,assistedrehabilitationtrainingmethodshavebeengreatlydeveloped,includingmechanicalmotiontrackingsystem,opticalmotiontrackingsystem,

7、electromagneticmotiontrackingsystem,acousticmotiontrackingsystemandvideomotiontrackingsystem.However,thesesystemshavethedisadvantagesofhighinstallationcost,limitedtrainingtothepatientandhighprice,andtheaccuracyofthesystemneedstobeimproved.Thefastdevelopmento

8、fmicro-electro-mechanicalsystems(MEMS)withlowpowercostandsmallvolumehasgreatlypromotedtheprogressofinertialsensingtechnology.Inertialnavigationtrackingsystems,whicharebasedonInertialMeasurementU