MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器原理

人體運(yùn)動(dòng)分析是指通過一定的方法對人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕捉和記錄，用于定量描述、分析和評(píng)價(jià)人的運(yùn)動(dòng)的一門學(xué)科。人體運(yùn)動(dòng)分析主要是使用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)跟蹤和行為識(shí)別兩大主要任務(wù)，其中慣性式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)主要采用MEMS傳感器。

MEMS傳感器作為一種采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器，具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，在慣性式運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。

慣性式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中測量人體運(yùn)動(dòng)的慣性傳感器，也稱之為運(yùn)動(dòng)傳感器，捕捉和識(shí)別身體不同部位的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以布置在頭部、上肢、下肢、手部等多個(gè)部位。慣性傳感器主要包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中，采集的傳感數(shù)據(jù)需經(jīng)過校準(zhǔn)、誤差檢測和補(bǔ)償、數(shù)據(jù)融合后，用于分析和跟蹤人體運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)傳感器原理

1.MEMS加速度計(jì)原理

MEMS加速度計(jì)分為三種：壓電式、容感式、熱感式。壓電式MEMS加速度計(jì)運(yùn)用的是壓電效應(yīng)，在其內(nèi)部有一個(gè)剛體支撐的質(zhì)量塊，有運(yùn)動(dòng)的情況下質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)生應(yīng)變，把加速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。容感式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部也存在一個(gè)質(zhì)量塊，從單個(gè)單元來看，它是標(biāo)準(zhǔn)的平板電容器。加速度的變化帶動(dòng)活動(dòng)質(zhì)量塊的移動(dòng)從而改變平板電容兩極的間距和正對面積，通過測量電容變化量來計(jì)算加速度。熱感式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部沒有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個(gè)加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時(shí)在加熱體的作用下，氣體在內(nèi)部形成一個(gè)熱氣團(tuán)，熱氣團(tuán)的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性熱氣團(tuán)的移動(dòng)形成的熱場變化讓感應(yīng)器感應(yīng)到加速度值。

由于壓電式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式MEMS加速度計(jì)只能感應(yīng)到“動(dòng)態(tài)”加速度，而不能感應(yīng)到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應(yīng)“動(dòng)態(tài)”加速度，又能感應(yīng)“靜態(tài)”加速度。

2.MEMS陀螺儀原理

MEMS陀螺儀利用科里奧利力——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力。實(shí)際的

MEMS陀螺儀的設(shè)計(jì)如下圖。如果物體在圓盤上沒有徑向運(yùn)動(dòng)，科里奧利力就不會(huì)產(chǎn)生。因此，在MEMS陀螺儀的設(shè)計(jì)上，這個(gè)物體被驅(qū)動(dòng)，不停地來回做徑向運(yùn)動(dòng)或者震蕩，與此對應(yīng)的科里奧利力就是不停地在橫向來回變化，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅(qū)動(dòng)力差90度。

MEMS陀螺儀通常有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作

徑向運(yùn)動(dòng)，橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來的電容變化。因?yàn)榭评飱W利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計(jì)算出角速度。

3.MEMS磁力計(jì)工作原理

MEMS磁力計(jì)就是通過測量磁場強(qiáng)度和方向來定位設(shè)備的方位的傳感器。磁傳感器就

是感應(yīng)環(huán)境磁場的變化，并把它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而測量出對應(yīng)物理量的器件，主要應(yīng)用在電子羅盤、磁場感應(yīng)器、位置感應(yīng)器等方案中。磁場的測量可以利用霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、電磁感應(yīng)效應(yīng)等原理。根據(jù)不同的原理可以制成多種MEMS磁力計(jì)。磁傳感器廣泛采用AMR材料（AnisotropicMagneto-Resistance），如鐵、鈷、鎳及其合金等，指當(dāng)外部磁場與磁體內(nèi)建磁場方向成零度角時(shí)，電阻是不會(huì)隨著外加磁場強(qiáng)度變化而發(fā)生改變的，但當(dāng)外部磁場與磁體的內(nèi)建磁場有一定角度的時(shí)候，磁體內(nèi)部磁化矢量會(huì)偏移，從而磁場方向和電流方向也會(huì)隨之變化，導(dǎo)致電阻阻值也將發(fā)生變化。

從下圖中可知，當(dāng)電流方向和磁體內(nèi)磁化方向成45度角度時(shí)，外部磁場給磁阻所引起

的電阻變化呈現(xiàn)出的是線性關(guān)系，所以磁傳感器在沒有外部磁力影響時(shí)候的初始角度設(shè)定為45度，利用這個(gè)線性關(guān)系再通過惠斯通電橋即可得到外界磁場值。

人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分類應(yīng)用

人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍較廣，根據(jù)其研究分析的主體，主要?jiǎng)澐譃槿磉\(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)

和專用運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)。

全身運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)是指在人體全身各主要部位的關(guān)鍵點(diǎn)布置運(yùn)動(dòng)傳感器，捕捉分析人體

各部位姿態(tài)和位置信息。常見的全身運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)有荷蘭XSens科技公司的XSensMVN系統(tǒng)，英國Animazoo捕捉系統(tǒng)、北京孚心科技的FOHEART Leo動(dòng)作捕捉套裝。

1）XSensMVN：

XSensMVN套裝是XSens的一個(gè)重要產(chǎn)品，MVN慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，如下圖所示，以獨(dú)特的微型慣性運(yùn)動(dòng)傳輸傳感器（MTx）和無線Xbus 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合了符合生物力學(xué)設(shè)計(jì)的高效傳感器等Xsens最新科技，能夠?qū)崟r(shí)捕捉人體6自由度的慣性運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或筆記本電腦中，實(shí)時(shí)記錄和查看動(dòng)態(tài)捕捉效果。另外，該系統(tǒng)最獨(dú)特之處在于無需外部照相機(jī)和發(fā)射器等裝置，避免了多余的數(shù)據(jù)傳輸線或電源線對使用者的行動(dòng)限制。MVN套裝，己經(jīng)進(jìn)入了電影制作和電子游戲產(chǎn)業(yè)，可以不受環(huán)境光線與空間距離的限制，純凈的動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行后處理即可錄制完成，非常適用于各種實(shí)時(shí)的表演應(yīng)用。XSens 的產(chǎn)品主要針對多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，如，動(dòng)畫、醫(yī)學(xué)、體育科學(xué)等。

2）Animazoo：

Animazoo是一個(gè)面向開發(fā)人員的、動(dòng)畫驅(qū)動(dòng)的動(dòng)作捕捉的軟硬件系統(tǒng)。它針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域提供定制的運(yùn)動(dòng)捕捉解決方案，價(jià)格和性能也因應(yīng)用領(lǐng)域和方式而各不相同。AnimazooIGS-190-M物理慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)安裝簡單，小巧易存，且適合于戶外應(yīng)用環(huán)境。除了這些與其它慣性系統(tǒng)類似的特點(diǎn)外，AnimazooIGS-190-M與

其它物理慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的最大區(qū)別在于其能夠與硬件同步，可以對模特髖部進(jìn)行跟蹤并提供整體定位數(shù)據(jù)（6自由度），這些功能都是普通慣性系統(tǒng)所缺少的。Animazoo公司開發(fā)的超聲波跟蹤系統(tǒng)為聲納三角測量裝置，與“AnimazooIGS-190-M物理慣性動(dòng)作捕捉”連接后，可將AnimazooIGS-190-M升級(jí)為“IGS-190-H物理慣性動(dòng)作捕捉”。聲納裝置發(fā)射的定位數(shù)據(jù)在電視直播、多演員表演中，尤其是可作為指南，對后期制作的光學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行清潔，消除模糊不清有著重要作用。

3）FOHEARTLeo動(dòng)作捕捉套裝：

FOHEARTLeo是北京孚心科技的一款產(chǎn)品，包含33個(gè)節(jié)點(diǎn)覆蓋全身，其中手部和手臂可以連接hub單獨(dú)進(jìn)行使用，用于捕捉手臂及手指的動(dòng)作數(shù)據(jù)，如下圖所示。其中，手部節(jié)點(diǎn)尺寸約12mm，10個(gè)節(jié)點(diǎn)可全方位覆蓋手部的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，捕捉較為精準(zhǔn)。

專用運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)通常只包含幾個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器，安裝在人體特定的某些身體部位，如頭

部、手臂、下肢等，監(jiān)測相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特征和狀態(tài)，可以將其主要?jiǎng)澐譃樯习肷砗拖掳肷淼倪\(yùn)動(dòng)分析。

1）上半身運(yùn)動(dòng)分析：

上半身運(yùn)動(dòng)分析主要是針對使用者的頭部，雙臂，手部等部位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉和監(jiān)測。通過運(yùn)動(dòng)傳感器追蹤頭部運(yùn)動(dòng)，獲取虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）和遠(yuǎn)程操作那個(gè)中所需的頭部信息；將多個(gè)慣性傳感器安置在雙臂，捕捉雙臂運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，可用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的矯正和監(jiān)測；數(shù)據(jù)手套可用于檢測手指彎曲，利用磁定位傳感器來精確地定位出手在三維空間中的位置，可進(jìn)行虛擬場景中物體的抓取、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了一種全新的交互手段；腰部的運(yùn)動(dòng)傳感器可以實(shí)現(xiàn)對人的重心的監(jiān)測，可應(yīng)用于跌倒檢測。

2）下半身運(yùn)動(dòng)分析：

下半身運(yùn)動(dòng)分析主要是針對使用者的骨盆、大腿、小腿和腳部等部位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉和分析。將運(yùn)動(dòng)傳感器綁在小腿上，利用運(yùn)動(dòng)算法可以估算行走速度；足部的運(yùn)動(dòng)傳感器可以實(shí)現(xiàn)對行走過程中的步態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。除了單一種類傳感器的運(yùn)用，慣性傳感器可結(jié)合壓力傳感器、超聲波傳感器、反饋裝置等，測量步長、抬腳高度、步寬、足部軌跡等，并獲取相應(yīng)的反饋，用于步態(tài)分析。

運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)處理和融合

對慣性傳感器的應(yīng)用包括初始校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理和融合等。MEMS加速度計(jì)可以測量載

體在三軸方向上的加速度，并可計(jì)算相應(yīng)的速度，其在靜態(tài)時(shí)測量精度較高，在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中存在線性加速度的干擾。MEMS陀螺儀可測量高速轉(zhuǎn)動(dòng)下的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，進(jìn)一步運(yùn)算可得角度信息，其擁有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，但是隨著時(shí)間的累積，會(huì)產(chǎn)生累積誤差，發(fā)生漂移。三軸磁力計(jì)通過感應(yīng)當(dāng)?shù)氐拇艌鐾坑?jì)算載體方位姿態(tài)，所在地球磁場恒定不變時(shí)，磁力計(jì)在靜態(tài)下有良好的測量特性，不易隨時(shí)間發(fā)生漂移，但是室內(nèi)環(huán)境中磁力計(jì)容易受到鐵磁擾動(dòng)。因此，為獲得人體位姿估計(jì)的結(jié)果，須解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：1）對傳感器的誤差進(jìn)行補(bǔ)償和校正；2）采用合適的算法融合各傳感器數(shù)據(jù)。

1.傳感器誤差

從加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)的角度出發(fā)，傳感器誤差的來源主要是隨機(jī)漂移、線性加

速度干擾和磁力計(jì)擾動(dòng)。

（1）隨機(jī)漂移

隨機(jī)漂移主要來源于加速度計(jì)和陀螺儀，可以將隨機(jī)漂移進(jìn)行相應(yīng)的建模，使用卡爾曼

濾波器等進(jìn)行在線估計(jì)，從而實(shí)時(shí)補(bǔ)償該隨機(jī)漂移。

（2）線性加速度

在跟蹤人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)通常處于動(dòng)態(tài)環(huán)境中，當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)的加速度相對于重力加

速度無法忽略時(shí)，此時(shí)根據(jù)加速度計(jì)測量值計(jì)算出的俯仰角和橫滾角會(huì)與真實(shí)值存在較大的誤差，如果不對線性加速度計(jì)加以補(bǔ)償，就會(huì)引起動(dòng)態(tài)精度的下降。為解決該類問題，可以將線性加速度擴(kuò)張成系統(tǒng)的狀態(tài)變量，通過各種濾波方法進(jìn)行估計(jì)，一方面可以對線性加速度分量和重力加速度分量進(jìn)行處理，另一方面根據(jù)線性加速度的大小自適應(yīng)調(diào)整加速度計(jì)量測噪聲方差的大小。

（3）磁力計(jì)擾動(dòng)

當(dāng)周圍存在磁場干擾時(shí)，特別是在室內(nèi)環(huán)境中磁力計(jì)的測量精度會(huì)受到很大的影響。磁

場干擾可分為硬鐵干擾和軟鐵干擾。硬鐵干擾產(chǎn)生于永久磁鐵，這些干擾源的大小及與磁力計(jì)的相對位置固定，一般假設(shè)不變，可做零偏處理。軟鐵干擾來自于磁力計(jì)附近的其余磁性材料的影響，軟鐵干擾一般是時(shí)變的擾動(dòng)。針對時(shí)變擾動(dòng)，可以采用基于閾值的方法或者基于模型的方法。

2.數(shù)據(jù)融合

人體運(yùn)動(dòng)跟蹤通過對信息的采集、坐標(biāo)系的變換，得到人體位姿估計(jì)的結(jié)果。然而，單

個(gè)傳感器由于受到噪聲干擾等影響，往往導(dǎo)致姿態(tài)跟蹤精度較低。因此，多傳感器信息融合成為提高姿態(tài)跟蹤精度的良好途徑。人體運(yùn)動(dòng)跟蹤中最常采用的數(shù)據(jù)融合方法是互補(bǔ)濾波器和卡爾曼濾波器。隨著微型芯片計(jì)算能力的提高，粒子濾波等數(shù)據(jù)融合方法也逐漸被用于在線估計(jì)人體的姿態(tài)。

（1）互補(bǔ)濾波

加速度計(jì)和磁力計(jì)容易受到高頻噪聲的干擾，陀螺儀容易受到隨機(jī)漂移等低頻噪聲的干

擾，互補(bǔ)濾波器就是將加速度計(jì)和磁力計(jì)測量的靜態(tài)姿態(tài)通過低通濾波器去除高頻分量，將陀螺儀測量的動(dòng)態(tài)姿態(tài)通過高通濾波器去除低頻分量，從而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)信息的融合估計(jì)。

（2）卡爾曼濾波

卡爾曼濾波包括線性卡爾曼濾波、擴(kuò)展卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波等。下圖所示為卡

爾曼濾波過程解析圖?？柭鼮V波的核心過程可以劃分為兩個(gè)部分：時(shí)間更新，即對下一步的狀態(tài)變量進(jìn)行預(yù)測；測量更新，即根據(jù)測量值對預(yù)測值進(jìn)行一定的修正，得到估算值。通過設(shè)計(jì)不同的狀態(tài)變量和觀測量，可以衍生出各種具有不同特點(diǎn)的姿態(tài)算法。

（3）粒子濾波

粒子濾波算法的核心思想是利用一系列隨機(jī)樣本的加權(quán)和近似后驗(yàn)概率密度函數(shù)，通過

求和來近似積分操作。該算法源于蒙特卡洛思想，即以某事件出現(xiàn)的頻率來表示該事件的概率。因此在濾波過程中，需要用到概率的地方，對變量采樣，以大量采樣及其相應(yīng)的權(quán)值來近似表示概率密度函數(shù)。

基于慣性傳感器的人體運(yùn)動(dòng)分析技術(shù)，借助穿戴在身體各部位的MEMS傳感器，通過數(shù)據(jù)處理、融合和姿態(tài)解算方法可實(shí)時(shí)跟蹤分析人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，其在康復(fù)治療、影視制作、體育訓(xùn)練等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，未來在開展基于慣性傳感器的人體運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，傳感器和算法依舊是研究的重點(diǎn)。

參考資料：

1.基于慣性傳感器的運(yùn)動(dòng)感知機(jī)制研究

2.面向人體運(yùn)動(dòng)跟蹤的IMU_TOA融合定位模型與性能優(yōu)化研究

3.人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器抗磁場和大加速度干擾的方法及其步態(tài)分析應(yīng)用研究

4.Effective Adaptive Kalman Filter for MEMS-IMU/Magnetometers Integrated Attitude and Heading Reference Systems

5.A Review of Accelerometer Sensor and Gyroscope Sensor in IMU Sensors on Motion Capture

作者：凌霄

浙江大學(xué)機(jī)械電子專業(yè)博士，從事智能傳感與人機(jī)交互，智能機(jī)器人控制等領(lǐng)域的研究