CN103226398A - 基于微惯性传感器网络技术的数据手套 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微惯性传感器网络技术的数据手套，包括多个安装于手套内部的微惯性传感器以及设置在手套外部手背上的数据采集与控制模块，所述微惯性传感器是一种微小型惯性姿态参考系统(AHRS)，包括封装在电路板中的三轴MEMS微陀螺、三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器，所述微惯性传感器安装在手套内部对应于手指关节之间的部位，并组合构成传感器网络。微惯性传感器合理分布于数据手套独立运动部位，基于航姿解算的原理，解算出手势姿态，实时地高精度捕获手势动作。数据手套中的中央嵌入式系统进行控制和处理传感器的数据，再以一定的协议形式发送到上位计算机。本发明使用方便，不受光线条件的约束。

Description

基于微惯性传感器网络技术的数据手套

技术领域

本发明涉及计算机技术领域的用于手势动作测量的传感装置，具体是一种基于微惯性传感器网络技术的数据手套。

背景技术

手势动作是人们与外界进行交互的重要手段，人们用手势动作来表达思想，感知客观世界。随着虚拟现实技术的发展，虚拟手作为一种自然、高效的人机交互方式，已经得到了广泛的应用，同时，在人体运动捕获系统中，应用高效的数据手套可以更加细腻地捕获手势动作参数，大大提高人体运动捕获系统细致化程度和拓宽应用范围。在虚拟环境中，数据手套是一种重要的人机交互设备，它能实时获取手部动作信息，在虚拟环境中完成捕获、操纵、交流等功能。

传统的手势动作测量系统主要有机械式的和手套式的两大类，机械式系统中具有代表意义的是Dextrious HandMaster(“灵动”数据手套)，手套式的代表有很多，诸如VPL公司的基于光钎原理的DT数据手套、基于压电原理的“舵手”数据手套、以及赛博手套等等。随着技术的发展，还出现了基于计算机视觉识别的手势动作测量系统。机械式和手套式手势动作测量系统普遍存在结构和原理复杂，维护成本高昂，动作信息捕获精度较低，处理电路复杂，使用条件受限等缺点。基于视频捕获式的数据手套也存在工作方式复杂，受光线条件和遮挡条件限制大。

发明内容

本发明针对现有技术中存在上述不足，提供了一种结构简单合理，使用方便，成本相对低廉的基于微惯性传感器网络技术的数据手套。本发明是一种虚拟现实系统中的人机接触交互接口，也是人体运动捕获系统中手势动作测量分系统，具有良好的数字化协议和很强的实时性能。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于微惯性传感器网络技术的数据手套，包括多个安装于手套内部的微惯性传感器以及设置在手套外部手背上的数据采集与控制模块，所述每一个微惯性传感器均是一种微小型惯性姿态测量组合，多个微惯性传感器构成传感器网络，所述数据采集与控制模块与传感器网络数据连接。

所述微惯性传感器包括电路板以及封装在电路板上的三轴MEMS微陀螺、三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器，作为一个完整的航姿参考系统，所述航姿参考系统通过导线连接至数据采集与控制模块，其中：

-三轴MEMS微陀螺，用于测量载体三个方向的绝对角速率；

-三轴微加速度传感器，用于测量载体三个方向的加速度，并用于修正陀螺在俯仰和滚动方向的漂移，同时得到重力测量值；

-三轴地磁传感器，用于测量三维地磁强度，同时提供方向角的初始对准以及修正航向角漂移，同时得到磁北向测量值。

所述重力测量值和磁北向测量值通过有机融合对漂移进行补偿，避免了因为角速率数据的积分运算带来的误差的无限累积。

所述三轴MEMS微陀螺的敏感轴、三轴微加速度传感器的敏感轴和三轴地磁传感器的敏感轴相互之间保持平行。

所述微惯性传感器为16个，其中，15个微惯性传感器安置于每根手指关节之间，用于检测手部主要关节的弯曲角度，第16个传感器设置在手背处。

所述数据采集与控制模块包括串行通讯端口和中央嵌入式系统，其中，所述构成传感器网络的多个微惯性传感器与中央嵌入式系统通过导线进行数据通信，所述中央嵌入式系统通过串行通讯端口与上位计算机连接。

所述中央嵌入式系统包括A／D转换单元以及中央处理器，微惯性传感器的信号电路输出通过A／D转换单元与中央处理器相连接，中央处理器的串行通讯端口与外部的串行通讯端口相连接，所述中央处理器接收微惯性传感器数字数据解算出手势姿态。

本发明提供的基于微惯性传感器网络技术的数据手套，采用微惯性传感器组合构成传感器网络，各个微惯性传感器合理分布于数据手套独立运动部位，可实时测量各独立运动部位的地理坐标系中的姿态信息，通过中央嵌入式系统进行控制和处理，再以一定的协议形式发送到上位计算机。

三轴MEMS微陀螺、三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器这三个传感器贴装在电路板上，其中每一个传感器的三个敏感轴(X，Y，Z)相互之间保持平行，其中，每一种传感器的三个敏感轴(X，Y，Z)分别与另外两种传感器的三个敏感轴保持平行，组成测量载体的三维坐标系。同时，微惯性传感器的信号由采集电路转换后送往计算机进行处理，并通过串行接口输出载体方位信息。

本发明可以实时地高精度捕获手势动作，解算手势姿态，并且结构简单合理，其使用也不受光线条件的约束。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图l为本发明微惯性传感器中的三轴MEMS微陀螺、三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器三种传感器的外观结构图；

图2为本发明微惯性传感器的结构；需要注意的是，封装在电路板的三种传感器的三个敏感轴(X，Y，Z)要保持相互平行；

图3为本发明传感器与中央嵌入式系统的布局图；

图4为本发明数据采集与控制模块；

图中：l为电路板，2为微惯性传感器，3为数据采集与控制模块，4为铜导线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本实例提供了一种基于微惯性传感器网络技术的数据手套，包括多个安装于手套内部的微惯性传感器以及设置在手套外部手背上的数据采集与控制模块，所述微惯性传感器安装在手套内部对应于手、指关节之间的部位，并组合构成传感器网络，所述数据采集与控制模块与传感器网络数据连接。

进一步地，如图l所示，MEMS微陀螺以及微加速度传感器和地磁传感器的皆为三轴传感器，可以记录x、y和z方向上的角度信息。

进一步地，如图2所示，三轴MEMS陀螺仪以及三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器封装在电路板中，构成了所述的微惯性传感器，即一种微小型惯性姿态参考系统。微惯性传感器通过导线连接到外部电路，输出传感器信息。

进一步地，如图3所示，所述微惯性传感器为16个，其中，15个微惯性传感器设置在大拇指以及其他四指的关节弯曲处，另外一个传感器设置在手背处。

进一步地，如图3所示，所述微惯性传感器包括封装在电路板上的三轴MEMS陀螺仪以及三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器，所述三个传感器的三个敏感轴(X，Y，Z)要保持相互平行，所述电路板上设有两根互不相连的铜导线，所述铜导线与外部电路连接，以进行数据传输。

进一步地，所述陀螺仪分别测量x、y和z方向上载体的角速度，具有很好的动态性能。所述三轴加速度计用于测量载体三个方向的加速度，在系统工作中，主要作用是感知系统的水平方向的倾斜，并用于修正陀螺在俯仰和滚动方向的漂移，所述三轴磁阻型磁强计测量三维地磁强度，用于提供方向角的初始对准以及修正航向角漂移。

进一步地，所述中央嵌入式系统包括A／D转换单元以及中央处理器，所述A／D转换单元将微惯性传感器的信号转变为数字信号输出给中央处理器，所述中央处理器与串行通讯端口相连接。

微惯性传感器是数据手套的核心技术，要求其应具有体积小，重量轻，可靠性高等特点。本发明采用基于惯性姿态测量组合的微惯性传感器(MEMS AHRS)。这种新型传感器主要由以下三个部分组成：三轴MEMS微陀螺、三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器。它们全部都封装在MEMS AHRS电路板内部。微惯性传感器通过导线与外接电路相连接。

三轴陀螺仪机构是由三个微型陀螺仪构成的，三个微型陀螺仪可动态测量载体的角速度，与时间积分计算角度，再与初始角度相加，得到载体当前的角度三个微型陀螺仪分别测量x、y和z方向上载体的角速度，积分后得到载体的姿态角(俯仰角、横滚角、航向角)。但实际中，三个的输出还包括了常值漂移误差和白噪声等，积分时间不可能无限小，也没有系统外的绝对参照物，所以其姿态角计算的结果会随着时间累积，并逐渐增大。

加入磁阻传感器机构和加速度传感器机构后，加速度传感器机构测量的是重力方向，有系统外绝对参照物“重力轴”，在无外力加速度的情况下，能准确输出横滚角(ROLL)和俯仰角(PITCH)两轴姿态角度。同时，磁阻传感器机构用以测量地球的磁场方向，通过计算可得到载体的航向角(YAW)并且由加速度计和磁阻传感器计算出的绝对姿态角不会有累积误差，在更长的时间尺度内都是准确的。可通过设计Kalman滤波器将测得的绝对姿态角与当地的角速度进行融合，通过组合导航的方法消除姿态角解算误差随时间积累的情况。微惯性传感器的信号由数据采集与控制模块转换后由中央嵌入式系统处理并发送给上位机，并通过串行接口输出载体方位信息。

微惯性传感器有如下特性：

(1)体积小：该微惯性传感器十分小巧，安置在手部的关节之间，不会影响手部关节的正常活动；

(2)重量轻：该微惯性传感器重量很轻，不会阻碍手的正常活动。可以较长时间佩戴；

(3)可靠性好：微惯性传感器可以经受数万次弯曲运动保持完好。

本实施例是在一个手套内部安装16个微惯性传感器，其中的15个微惯性传感器用于检测大拇指以及其他四指的关节弯曲角度，其中四指指根的微惯性传感器可以检测四个相邻手指之间的位置，这是可以通过微惯性传感器中的加速度角来反馈位置信号，还有一个传感器可以检测手背的弯曲角度。这些微惯性传感器可以把人手的主要关节的角度测量出来。通过图4中的数据采集和控制模块实时采集这些传感器的输出，再经过滤波、计算后通过串行通讯口传递给虚拟现实系统，使虚拟手实时准确地跟随操作者手势的变化。

图4为数据采集与控制模块，包括：电源、微惯性传感器、中央嵌入式系统。其中，各个微惯性传感器合理分布于数据手套独立运动部位，可实时测量各独立运动部位的地理坐标系中的姿态信息，通过数据手套中的中央嵌入式系统进行控制和处理，再以一定的协议形式通过串行通讯端口发送到上位计算机。串行通讯端口、中央嵌入式系统全部布局在手套外部手背上。

所述微惯性传感器，结构上包括MEMS陀螺仪，磁阻传感器，加速度传感器共三种，且皆为三轴传感器，用以测量x、y和z方向上载体的速度信息，从而得到载体的俯仰角、横滚角、航向角。进一步说，即：

所述三轴陀螺用于测量载体三个方向的绝对角速率，具有良好的动态性能，所述三轴加速度计用于测量载体三个方向的加速度，在系统工作中，主要作用是感知系统的水平方向的倾斜，并用于修正陀螺在俯仰和滚动方向的漂移，所述三轴磁阻型磁强计测量三维地磁强度，用于提供方向角的初始对准以及修正航向角漂移。重力测量值(通过加速度计)和磁北向测量值(通过磁力计)有机融合并对漂移进行补偿，避免了因为角速率数据的积分运算带来的误差的无限累积。

中央嵌入式系统是整个系统的核心处理单元，它把16路微惯性传感器的信号转换成电路输出，通过A／D转换单元采集到中央处理器内部，经过一系列运算以及数字滤波后通过串行通讯口把传感器当前的采样值传递给运行虚拟现实系统的计算机或工作站，这些计算机或工作站都已经建立好了手模型。当佩戴数据手套的人手进行运动时，虚拟现实系统就能实时的反应人手的运动状态。

本实施例的微惯性传感器，可以从计算机取电，也可以配上外接电源。一般对用户来说，从计算机取电方便一些。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员在权利要求的范围内做出各种变形或修饰(改变传感器位置与个数等等)，都应为本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种基于微惯性传感器网络技术的数据手套，其特征在于，包括多个安装于手套内部的微惯性传感器以及设置在手套外部手背上的数据采集与控制模块，其中每一个微惯性传感器均是一种微小型惯性姿态测量组合，多个微惯性传感器构成传感器网络，所述数据采集与控制模块与传感器网络数据连接。

2.根据权利要求l所述的基于微惯性传感器网络技术的数据手套，其特征在于，所述微惯性传感器包括电路板以及封装在电路板上的三轴MEMS微陀螺、三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器，作为一个完整的航姿参考系统，所述航姿参考系统通过导线连接至数据采集与控制模块，其中：

-三轴MEMS微陀螺，用于测量载体三个方向的绝对角速率；

-三轴微加速度传感器，用于测量载体三个方向的加速度，并用于修正陀螺在俯仰和滚动方向的漂移，同时得到重力测量值；

-三轴地磁传感器，用于测量三维地磁强度，同时提供方向角的初始对准以及修正航向角漂移，同时得到磁北向测量值。

3.根据权利要求2所述的基于微惯性传感器网络技术的数据手套，其特征在于，所述重力测量值和磁北向测量值通过有机融合对漂移进行补偿，避免了因为角速率数据的积分运算带来的误差的无限累积。

4.根据权利要求2所述的基于微惯性传感器网络技术的数据手套，其特征在于，所述三轴MEMS微陀螺的敏感轴、三轴微加速度传感器的敏感轴和三轴地磁传感器的敏感轴相互之间保持平行。

5.根据权利要求l至4中任一项所述的基于微惯性传感器网络技术的数据手套，其特征在于，所述微惯性传感器为16个，其中，15个微惯性传感器安置于每根手指关节之间，用于检测手部主要关节的弯曲角度，第16个传感器设置在手背处。

6.根据权利要求l所述的基于微惯性传感器网络技术的数据手套，其特征在于，所述数据采集与控制模块位于手套外部的手背上，数据采集与控制模块包括中央嵌入式系统以及设置在中央嵌入式系统外部的串行通讯端口，其中，所述的多个微惯性传感器与中央嵌入式系统数据通信，所述中央嵌入式系统通过串行通讯端口与上位计算机连接。

7.根据权利要求6所述的基于微惯性传感器网络技术的数据手套，其特征在于，所述中央嵌入式系统包括A／D转换单元以及中央处理器，微惯性传感器的信号电路输出通过A／D转换单元与中央处理器相连接，中央处理器的串行通讯端口与外部的串行通讯端口相连接，所述中央处理器接收微惯性传感器数字数据解算出手势姿态。

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