專利名稱：基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機技術(shù)領(lǐng)域的用于手勢動作測量的傳感裝置，具體是一種基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套。
背景技術(shù)：
手勢動作是人們與外界進行交互的重要手段，人們用手勢動作來表達思想，感知客觀世界。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，虛擬手作為一種自然、高效的人機交互方式，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，同時，在人體運動捕獲系統(tǒng)中，應(yīng)用高效的數(shù)據(jù)手套可以更加細膩地捕獲手勢動作參數(shù)，大大提高人體運動捕獲系統(tǒng)細致化程度和拓寬應(yīng)用范圍。在虛擬環(huán)境中，數(shù)據(jù)手套是一種重要的人機交互設(shè)備，它能實時獲取手部動作信息，在虛擬環(huán)境中完成捕獲、操縱、交流等功能。傳統(tǒng)的手勢動作測量系統(tǒng)主要有機械式的和手套式的兩大類，機械式系統(tǒng)中具有代表意義的是Dextrious HandMaster ( “靈動”數(shù)據(jù)手套)，手套式的代表有很多，諸如VPL公司的基于光釬原理的DT數(shù)據(jù)手套、基于壓電原理的“舵手”數(shù)據(jù)手套、以及賽博手套等等。隨著技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了基于計算機視覺識別的手勢動作測量系統(tǒng)。機械式和手套式手勢動作測量系統(tǒng)普遍存在結(jié)構(gòu)和原理復(fù)雜，維護成本高昂，動作信息捕獲精度較低，處理電路復(fù)雜，使用條件受限等缺點?；谝曨l捕獲式的數(shù)據(jù)手套也存在工作方式復(fù)雜，受光線條件和遮擋條件限制大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在上述不足，提供了一種結(jié)構(gòu)簡單合理，使用方便，成本相對低廉的基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套。本發(fā)明是一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機接觸交互接口，也是人體運動捕獲系統(tǒng)中手勢動作測量分系統(tǒng)，具有良好的數(shù)字化協(xié)議和很強的實時性能。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。一種基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套，包括多個安裝于手套內(nèi)部的微慣性傳感器以及設(shè)置在手套外部手背上的數(shù)據(jù)采集與控制模塊，所述每一個微慣性傳感器均是一種微小型慣性姿態(tài)測量組合，多個微慣性傳感器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊與傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接。所述微慣性傳感器包括電路板以及封裝在電路板上的三軸MEMS微陀螺、三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器，作為一個完整的航姿參考系統(tǒng)，所述航姿參考系統(tǒng)通過導(dǎo)線連接至數(shù)據(jù)采集與控制模塊，其中:-三軸MEMS微陀螺，用于測量載體三個方向的絕對角速率；-三軸微加速度傳感器,用于測量載體三個方向的加速度,并用于修正陀螺在俯仰和滾動方向的漂移，同時得到重力測量值；-三軸地磁傳感器，用于測量三維地磁強度，同時提供方向角的初始對準以及修正航向角漂移，同時得到磁北向測量值。所述重力測量值和磁北向測量值通過有機融合對漂移進行補償，避免了因為角速率數(shù)據(jù)的積分運算帶來的誤差的無限累積。所述三軸MEMS微陀螺的敏感軸、三軸微加速度傳感器的敏感軸和三軸地磁傳感器的敏感軸相互之間保持平行。所述微慣性傳感器為16個，其中，15個微慣性傳感器安置于每根手指關(guān)節(jié)之間，用于檢測手部主要關(guān)節(jié)的彎曲角度，第16個傳感器設(shè)置在手背處。所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊包括串行通訊端口和中央嵌入式系統(tǒng)，其中，所述構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個微慣性傳感器與中央嵌入式系統(tǒng)通過導(dǎo)線進行數(shù)據(jù)通信，所述中央嵌入式系統(tǒng)通過串行通訊端口與上位計算機連接。 所述中央嵌入式系統(tǒng)包括A / D轉(zhuǎn)換單元以及中央處理器，微慣性傳感器的信號電路輸出通過A / D轉(zhuǎn)換單元與中央處理器相連接，中央處理器的串行通訊端口與外部的串行通訊端口相連接，所述中央處理器接收微慣性傳感器數(shù)字數(shù)據(jù)解算出手勢姿態(tài)。本發(fā)明提供的基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套，采用微慣性傳感器組合構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，各個微慣性傳感器合理分布于數(shù)據(jù)手套獨立運動部位，可實時測量各獨立運動部位的地理坐標系中的姿態(tài)信息，通過中央嵌入式系統(tǒng)進行控制和處理，再以一定的協(xié)議形式發(fā)送到上位計算機。三軸MEMS微陀螺、三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器這三個傳感器貼裝在電路板上，其中每一個傳感器的三個敏感軸(X，Y，Z)相互之間保持平行，其中，每一種傳感器的三個敏感軸(X，Y，Z)分別與另外兩種傳感器的三個敏感軸保持平行，組成測量載體的三維坐標系。同時，微慣性傳感器的信號由采集電路轉(zhuǎn)換后送往計算機進行處理，并通過串行接口輸出載體方位信息。本發(fā)明可以實時地高精度捕獲手勢動作，解算手勢姿態(tài)，并且結(jié)構(gòu)簡單合理，其使用也不受光線條件的約束。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:圖1為本發(fā)明微慣性傳感器中的三軸MEMS微陀螺、三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器三種傳感器的外觀結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明微慣性傳感器的結(jié)構(gòu)；需要注意的是，封裝在電路板的三種傳感器的三個敏感軸(X，Y，Z)要保持相互平行；圖3為本發(fā)明傳感器與中央嵌入式系統(tǒng)的布局圖；圖4為本發(fā)明數(shù)據(jù)采集與控制模塊；圖中:1為電路板，2為微慣性傳感器，3為數(shù)據(jù)采集與控制模塊，4為銅導(dǎo)線。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。本實例提供了一種基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套，包括多個安裝于手套內(nèi)部的微慣性傳感器以及設(shè)置在手套外部手背上的數(shù)據(jù)采集與控制模塊，所述微慣性傳感器安裝在手套內(nèi)部對應(yīng)于手、指關(guān)節(jié)之間的部位，并組合構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊與傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接。進一步地，如圖1所示，MEMS微陀螺以及微加速度傳感器和地磁傳感器的皆為三軸傳感器，可以記錄x、y和z方向上的角度信息。進一步地，如圖2所示，三軸MEMS陀螺儀以及三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器封裝在電路板中，構(gòu)成了所述的微慣性傳感器，即一種微小型慣性姿態(tài)參考系統(tǒng)。微慣性傳感器通過導(dǎo)線連接到外部電路，輸出傳感器信息。進一步地，如圖3所示，所述微慣性傳感器為16個，其中，15個微慣性傳感器設(shè)置在大拇指以及其他四指的關(guān)節(jié)彎曲處 ，另外一個傳感器設(shè)置在手背處。進一步地，如圖3所示，所述微慣性傳感器包括封裝在電路板上的三軸MEMS陀螺儀以及三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器，所述三個傳感器的三個敏感軸(X，Y，Z)要保持相互平行，所述電路板上設(shè)有兩根互不相連的銅導(dǎo)線，所述銅導(dǎo)線與外部電路連接，以進行數(shù)據(jù)傳輸。進一步地，所述陀螺儀分別測量x、y和z方向上載體的角速度，具有很好的動態(tài)性能。所述三軸加速度計用于測量載體三個方向的加速度，在系統(tǒng)工作中，主要作用是感知系統(tǒng)的水平方向的傾斜，并用于修正陀螺在俯仰和滾動方向的漂移，所述三軸磁阻型磁強計測量三維地磁強度，用于提供方向角的初始對準以及修正航向角漂移。進一步地，所述中央嵌入式系統(tǒng)包括A / D轉(zhuǎn)換單元以及中央處理器，所述A / D轉(zhuǎn)換單元將微慣性傳感器的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出給中央處理器，所述中央處理器與串行通訊端口相連接。微慣性傳感器是數(shù)據(jù)手套的核心技術(shù)，要求其應(yīng)具有體積小，重量輕，可靠性高等特點。本發(fā)明采用基于慣性姿態(tài)測量組合的微慣性傳感器(MEMS AHRS)。這種新型傳感器主要由以下三個部分組成:三軸MEMS微陀螺、三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器。它們?nèi)慷挤庋b在MEMS AHRS電路板內(nèi)部。微慣性傳感器通過導(dǎo)線與外接電路相連接。三軸陀螺儀機構(gòu)是由三個微型陀螺儀構(gòu)成的，三個微型陀螺儀可動態(tài)測量載體的角速度，與時間積分計算角度，再與初始角度相加，得到載體當(dāng)前的角度三個微型陀螺儀分別測量x、y和z方向上載體的角速度，積分后得到載體的姿態(tài)角(俯仰角、橫滾角、航向角)。但實際中，三個的輸出還包括了常值漂移誤差和白噪聲等，積分時間不可能無限小，也沒有系統(tǒng)外的絕對參照物，所以其姿態(tài)角計算的結(jié)果會隨著時間累積，并逐漸增大。加入磁阻傳感器機構(gòu)和加速度傳感器機構(gòu)后，加速度傳感器機構(gòu)測量的是重力方向，有系統(tǒng)外絕對參照物“重力軸”，在無外力加速度的情況下，能準確輸出橫滾角(ROLL)和俯仰角(PITCH)兩軸姿態(tài)角度。同時，磁阻傳感器機構(gòu)用以測量地球的磁場方向，通過計算可得到載體的航向角(YAW)并且由加速度計和磁阻傳感器計算出的絕對姿態(tài)角不會有累積誤差，在更長的時間尺度內(nèi)都是準確的?？赏ㄟ^設(shè)計Kalman濾波器將測得的絕對姿態(tài)角與當(dāng)?shù)氐慕撬俣冗M行融合，通過組合導(dǎo)航的方法消除姿態(tài)角解算誤差隨時間積累的情況。微慣性傳感器的信號由數(shù)據(jù)采集與控制模塊轉(zhuǎn)換后由中央嵌入式系統(tǒng)處理并發(fā)送給上位機，并通過串行接口輸出載體方位信息。微慣性傳感器有如下特性:(I)體積小:該微慣性傳感器十分小巧，安置在手部的關(guān)節(jié)之間，不會影響手部關(guān)節(jié)的正?；顒?；(2)重量輕:該微慣性傳感器重量很輕，不會阻礙手的正常活動。可以較長時間佩戴；(3)可靠性好:微慣性傳感器可以經(jīng)受數(shù)萬次彎曲運動保持完好。本實施例是在一個手套內(nèi)部安裝16個微 慣性傳感器,其中的15個微慣性傳感器用于檢測大拇指以及其他四指的關(guān)節(jié)彎曲角度，其中四指指根的微慣性傳感器可以檢測四個相鄰手指之間的位置，這是可以通過微慣性傳感器中的加速度角來反饋位置信號，還有一個傳感器可以檢測手背的彎曲角度。這些微慣性傳感器可以把人手的主要關(guān)節(jié)的角度測量出來。通過圖4中的數(shù)據(jù)采集和控制模塊實時采集這些傳感器的輸出，再經(jīng)過濾波、計算后通過串行通訊口傳遞給虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，使虛擬手實時準確地跟隨操作者手勢的變化。圖4為數(shù)據(jù)采集與控制模塊，包括:電源、微慣性傳感器、中央嵌入式系統(tǒng)。其中，各個微慣性傳感器合理分布于數(shù)據(jù)手套獨立運動部位，可實時測量各獨立運動部位的地理坐標系中的姿態(tài)信息，通過數(shù)據(jù)手套中的中央嵌入式系統(tǒng)進行控制和處理，再以一定的協(xié)議形式通過串行通訊端口發(fā)送到上位計算機。串行通訊端口、中央嵌入式系統(tǒng)全部布局在手套外部手背上。所述微慣性傳感器，結(jié)構(gòu)上包括MEMS陀螺儀，磁阻傳感器，加速度傳感器共三種，且皆為三軸傳感器，用以測量x、y和z方向上載體的速度信息，從而得到載體的俯仰角、橫滾角、航向角。進一步說，即:所述三軸陀螺用于測量載體三個方向的絕對角速率，具有良好的動態(tài)性能，所述三軸加速度計用于測量載體三個方向的加速度，在系統(tǒng)工作中，主要作用是感知系統(tǒng)的水平方向的傾斜，并用于修正陀螺在俯仰和滾動方向的漂移，所述三軸磁阻型磁強計測量三維地磁強度，用于提供方向角的初始對準以及修正航向角漂移。重力測量值(通過加速度計)和磁北向測量值(通過磁力計)有機融合并對漂移進行補償，避免了因為角速率數(shù)據(jù)的積分運算帶來的誤差的無限累積。中央嵌入式系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心處理單元，它把16路微慣性傳感器的信號轉(zhuǎn)換成電路輸出，通過A / D轉(zhuǎn)換單元采集到中央處理器內(nèi)部，經(jīng)過一系列運算以及數(shù)字濾波后通過串行通訊口把傳感器當(dāng)前的采樣值傳遞給運行虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的計算機或工作站，這些計算機或工作站都已經(jīng)建立好了手模型。當(dāng)佩戴數(shù)據(jù)手套的人手進行運動時，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就能實時的反應(yīng)人手的運動狀態(tài)。本實施例的微慣性傳感器，可以從計算機取電，也可以配上外接電源。一般對用戶來說，從計算機取電方便一些。以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修飾(改變傳感器位置與個數(shù)等等)，都應(yīng)為本發(fā)明的技術(shù)范疇。
權(quán)利要求
1.一種基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套，其特征在于，包括多個安裝于手套內(nèi)部的微慣性傳感器以及設(shè)置在手套外部手背上的數(shù)據(jù)采集與控制模塊，其中每一個微慣性傳感器均是一種微小型慣性姿態(tài)測量組合，多個微慣性傳感器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊與傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套，其特征在于，所述微慣性傳感器包括電路板以及封裝在電路板上的三軸MEMS微陀螺、三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器，作為一個完整的航姿參考系統(tǒng)，所述航姿參考系統(tǒng)通過導(dǎo)線連接至數(shù)據(jù)采集與控制模塊，其中: -三軸MEMS微陀螺，用于測量載體三個方向的絕對角速率； -三軸微加速度傳感器，用于測量載體三個方向的加速度，并用于修正陀螺在俯仰和滾動方向的漂移，同時得到重力測量值； -三軸地磁傳感器，用于測量三維地磁強度，同時提供方向角的初始對準以及修正航向角漂移，同時得到磁北向測量值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套，其特征在于，所述重力測量值和磁北向測量值通過有機融合對漂移進行補償，避免了因為角速率數(shù)據(jù)的積分運算帶來的誤差的無限累積。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套，其特征在于，所述三軸MEMS微陀螺的敏感軸、三軸微加速度傳感器的敏感軸和三軸地磁傳感器的敏感軸相互之間保持平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套，其特征在于，所述微慣性傳感器 為16個，其中，15個微慣性傳感器安置于每根手指關(guān)節(jié)之間，用于檢測手部主要關(guān)節(jié)的彎曲角度，第16個傳感器設(shè)置在手背處。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊位于手套外部的手背上，數(shù)據(jù)采集與控制模塊包括中央嵌入式系統(tǒng)以及設(shè)置在中央嵌入式系統(tǒng)外部的串行通訊端口，其中，所述的多個微慣性傳感器與中央嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信，所述中央嵌入式系統(tǒng)通過串行通訊端口與上位計算機連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套，其特征在于，所述中央嵌入式系統(tǒng)包括A / D轉(zhuǎn)換單元以及中央處理器，微慣性傳感器的信號電路輸出通過A / D轉(zhuǎn)換單元與中央處理器相連接，中央處理器的串行通訊端口與外部的串行通訊端口相連接，所述中央處理器接收微慣性傳感器數(shù)字數(shù)據(jù)解算出手勢姿態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)手套，包括多個安裝于手套內(nèi)部的微慣性傳感器以及設(shè)置在手套外部手背上的數(shù)據(jù)采集與控制模塊，所述微慣性傳感器是一種微小型慣性姿態(tài)參考系統(tǒng)(AHRS)，包括封裝在電路板中的三軸MEMS微陀螺、三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器，所述微慣性傳感器安裝在手套內(nèi)部對應(yīng)于手指關(guān)節(jié)之間的部位，并組合構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)。微慣性傳感器合理分布于數(shù)據(jù)手套獨立運動部位，基于航姿解算的原理，解算出手勢姿態(tài)，實時地高精度捕獲手勢動作。數(shù)據(jù)手套中的中央嵌入式系統(tǒng)進行控制和處理傳感器的數(shù)據(jù)，再以一定的協(xié)議形式發(fā)送到上位計算機。本發(fā)明使用方便，不受光線條件的約束。
文檔編號G06F3/0346GK103226398SQ20131009781
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者錢峰, 王偉棟, 郭志虎, 費潔 申請人:上海交通大學(xué)