CN106095116A - 用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，包括：加速度‑角度‑地磁传感装置安装于头戴式设备上，用于感知用户的头部动作，生成头部动作感知信号；控制单元接收来自加速度‑角度‑地磁传感装置的头部动作感知信号并进行分析处理，获取用户的头部动作轨迹，生成多路PWM控制信号；显示单元根据多路PWM控制信号输出控制发光强度的明暗变化和警示变化，用以表征用户的头部动作轨迹；电源模块向加速度‑角度‑地磁传感装置和控制单元供电。本发明利用加速度‑角度‑地磁传感装置感知用户头部的动作，并由控制单元分析出用户的头部动作轨迹，由安装于头戴式设备上的LED显示灯对轨迹进行显示和警示。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实设备技术领域，特别涉及一种用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统。
背景技术
VR(Virtual Reality，虚拟现实)头戴式设备技术的发展已日趋成熟，但现有的VR头戴式设备大都是为用户提供虚拟现实交互场景，提供视频影像等交互，这种交互通常由用户操作APP或通过眼部动作实现。现有技术尚未实现对用户的头部动作的分析及对头部动作轨迹的定位，即这部分分析工作尚处于空白阶段。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，利用加速度-角度-地磁传感装置感知用户头部的动作，并由控制单元分析出用户的头部动作轨迹，由安装于头戴式设备上的LED显示灯对轨迹进行显示和警示。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，包括：加速度-角度-地磁传感装置，安装于头戴式设备上，用于感知用户的头部动作，生成头部动作感知信号；控制单元，所述控制单元与所述加速度-角度-地磁传感装置进行通信，接收来自所述加速度-角度-地磁传感装置的头部动作感知信号并进行分析处理，获取用户的头部动作轨迹，生成多路PWM控制信号；显示单元，所述显示单元与所述控制单元相连，用于根据所述多路PWM控制信号输出控制发光强度的明暗变化和警示变化，用以表征所述用户的头部动作轨迹；电源模块，所述电源模块与所述加速度-角度-地磁传感装置和所述控制单元相连，用于向所述加速度-角度-地磁传感装置和所述控制单元供电。
进一步，所述加速度-角度-地磁传感装置通过I2C总线与所述控制单元通信。
进一步，所述控制单元采用单片机。
进一步，所述控制单元通过内部的寄存器获取加速度-角度-地磁传感装置的头部动作感知信号，并产生相应的信号变化，进而分析处理以获取用户的头部动作轨迹。
进一步，所述显示单元为多个LED显示灯。
进一步，所述控制单元通过输出的每路PWM控制信号依次控制每个LED显示灯的明暗亮度，以实现对所述多个LED灯的警示控制。
进一步，所述加速度-角度-地磁传感装置采用三轴加速度传感器或六轴加速度传感器。
根据本发明实施例的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，通过在VR头戴式设备上设置本发明的警示系统，利用加速度-角度-地磁传感装置感知用户头部的动作，并由控制单元分析出用户的头部动作轨迹，由安装于头戴式设备上的LED显示灯对轨迹进行显示和警示，实现利用头戴式设备对用户头部动作轨迹的检测，以由于后续用户与虚拟现实场景的交互。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统的结构图；
图2为根据本发明实施例的三轴加速度传感器模块的示意图；
图3为根据本发明实施例的采集数据阵列图；
图4为根据本发明实施例的加速度-角度-地磁传感装置、单片机、电源模块的连接电路图；
图5为根据本发明实施例的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统的主视图；
图6为根据本发明实施例的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统的侧视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，包括：加速度-角度-地磁传感装置1、控制单元2、显示单元3和电源模块4。
具体地，加速度-角度-地磁传感装置1安装于头戴式设备上，用于感知用户的头部动作，生成头部动作感知信号。其中，加速度-角度-地磁传感装置1可以采用三轴加速度传感器或六轴加速度传感器。举例来说，加速度-角度-地磁传感装置1可以采用型号为MPU9150的三轴加速度传感器。
需要说明的是，上述仅是出于示例的目的，而不是为了限制本发明。在本发明中，只要能够实现感知用户的头部动作的传感器装置均属于本发明的保护范围。
控制单元2与加速度-角度-地磁传感装置1进行通信，接收来自加速度-角度-地磁传感装置的头部动作感知信号并进行分析处理，获取用户的头部动作轨迹，生成多路PWM控制信号。在本发明的一个实施例中，加速度-角度-地磁传感装置1通过I2C总线与控制单元2进行通信。
优选的，控制单元2采用单片机。其中，单片机可以采用型号为MSP430单片机。
具体地，控制单元2通过内部的寄存器获取加速度-角度-地磁传感装置的头部动作感知信号，并产生相应的信号变化，控制单元通过信号通信读取寄存器的代码可以得知当前加速度-角度-地磁传感装置1的状态，进而提供给控制单元2内的控制芯片分析处理以获取用户的头部动作轨迹。实现识别头部动作的功能。
控制单元2根据头部动作感知信号，定位出用户的头部移动位置点和趋势，进而根据上述移动位置点和趋势生成头部动作轨迹。在获取用户头部动作轨迹的基础上，即可根据该用户头部动作轨迹实现用户与虚拟现实场景的交互。
下面对定位出头部动作轨迹的过程进行说明。
具体地，参考图2，利用三轴加速度传感器通过采集物理加速度产生的空间矢量的变化，准确测量头部动作轨迹的运动状态的变化，其测量三个坐标轴上的分量的变化，并在预先不知道物体初始运动方向的状态下，通过三轴加速度传感器模块检测X、Y和Z轴三个方向上的加速度信号。三轴加速度传感器采用压阻式、压电式和电容式等工作原理，产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化，通过相应的放大和滤波电路进行数据采集，内部的寄存器会发生变化，而控制单元2通过I2C通信接口读取寄存器内容，就可以得知头盔的位置移动。
在本发明的实施例中，采用两组3轴加速度传感器，来采集三维空间的发生的任何移动，其相应算法逻辑结构说明如下：
1)α组为3轴加速度传感器，可以感知头部运动轨迹在X,Y,Z 3个轴上的位移变化，即图3中的X Accel，Y Accel，Z Accel。
2)β组为3轴加速度-角度-地磁传感装置传感器，可以感知头部运动轨迹在X,Y,Z3个轴上的旋转变化，即图3中的X Gyro，Y Gyro，Z Gyro。
3)采集上述2组数据，用于还原头部运动轨迹的空间位移，无论是位置变化还是角度变化。
4)参考图5，该两组信号由模数转换器ADC进行模拟-数字转换后，得到对应的数字信号，并写入对应的寄存器。通过读取芯片的寄存器数据，并分析其数据变化对应的运动变化，则可知道当前芯片处于的运动状态。
显示单元3与控制单元2相连，根据多路PWM控制信号输出控制发光强度的明暗变化和警示变化，用以表征用户的头部动作轨迹。
在本发明的一个实施例中，显示单元2为多个LED显示灯。参考图5所示，控制单元2(主控芯片)输出N个PWM控制信号，从而对显示单元的LED阵列中的N个LED显示灯的发光强度进行控制。
其中，LED警示光源可以设置于头戴设备的正面即正面四周边缘或中部，以线条形阵列组形式呈现该警示光源。
每个LED显示灯的颜色可以根据用户需要进行预先设置选取，用于通过不同的颜色来清楚标记用户的头部动作轨迹。
具体地，控制单元2通过输出的每路PWM控制信号依次控制每个LED显示灯的明暗亮度，以实现对多个LED灯的警示控制。即，控制单元输出N路PWM控制信号，以分别用于控制N个LED显示灯的明暗调整。
具体来说，控制单元2通过I2C采集该头戴设备目前的动作情况，并通过编程算法控制主控系统的PWM信号输出，控制外置的LED警示光源的闪烁方式。PWM信号是一种可以配置占空比的方波波形，通过算法控制可以实现对其占空比的随时调整。在本发明中，占空比高的波形就可以让LED光源系统亮度增加，占空比低的波形可以让LED光源系统亮度减弱，从而实现明暗控制。控制单元2通过预设算法将该占空比按一定规律变化形成的波形，则可让LED光源系统产生不同类型的光呈现效果。控制单元2控制LED明暗变化的逻辑如下：
1.关机状态：全灭；
2.开机状态：常亮3秒，随后全灭；
3.待机状态：警示光源系统慢闪；
4.充电状态：警示光源系统快闪，充电完成之后LED警示光源系统常亮；
5.头戴设备左转：LED警示光源系统从右至左跑循环连续闪烁状态，设备转动速度越快，循环连续闪烁越快；
6.头戴设备右转：LED警示光源系统从左至右循环连续闪烁状态，转动速度越快，循环连续闪烁越快；
7.头戴设备仰视：LED警示光源系统从下至上循环连续闪烁状态，转动速度越快，循环连续闪烁越快；
8.头戴设备俯视：LED警示光源系统从下至上循环连续闪烁状态，转动速度越快，循环连续闪烁越快。电源模块4与加速度-角度-地磁传感装置1和控制单元2相连，从而向加速度-角度-地磁传感装置1和控制单元2进行供电。其中，参考图4，电源模块4采用3.3V LDO(低压差线性稳压器,low dropout regulator)，其通过充电芯片接入USB供电和锂电池供电。
参考图5和图6，本发明提供的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统安装于VR头戴式设备上，与头戴式设备内的控制芯片可以实现通信交互。用户佩戴该头戴式设备，即可通过其上的警示系统实现对用户头部动作轨迹的检测。
根据本发明实施例的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，通过在VR头戴式设备上设置本发明的警示系统，利用加速度-角度-地磁传感装置感知用户头部的动作，并由控制单元分析出用户的头部动作轨迹，由安装于头戴式设备上的LED显示灯对轨迹进行显示和警示，实现利用头戴式设备对用户头部动作轨迹的检测，以由于后续用户与虚拟现实场景的交互。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (7)
1.一种用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，其特征在于，包括：
加速度-角度-地磁传感装置，安装于头戴式设备上，用于感知用户的头部动作，生成头部动作感知信号；
控制单元，所述控制单元与所述加速度-角度-地磁传感装置进行通信，接收来自所述加速度-角度-地磁传感装置的头部动作感知信号并进行分析处理，获取用户的头部动作轨迹，生成多路PWM控制信号；
显示单元，所述显示单元与所述控制单元相连，用于根据所述多路PWM控制信号输出控制发光强度的明暗变化和警示变化，用以表征所述用户的头部动作轨迹；
电源模块，所述电源模块与所述加速度-角度-地磁传感装置和所述控制单元相连，用于向所述加速度-角度-地磁传感装置和所述控制单元供电。
2.如权利要求1所述的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，其特征在于，所述加速度-角度-地磁传感装置通过I2C总线与所述控制单元通信。
3.如权利要求1所述的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，其特征在于，所述控制单元采用单片机。
4.如权利要求1或3所述的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，其特征在于，所述控制单元通过内部的寄存器获取加速度-角度-地磁传感装置的头部动作感知信号，并产生相应的信号变化，进而分析处理以获取用户的头部动作轨迹。
5.如权利要求1所述的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，其特征在于，所述显示单元为多个LED显示灯。
6.如权利要求5所述的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，其特征在于，所述控制单元通过输出的每路PWM控制信号依次控制每个LED显示灯的明暗亮度，以实现对所述多个LED灯的警示控制。
7.如权利要求1所述的用于虚拟现实头戴式设备头部动作轨迹的警示系统，其特征在于，所述加速度-角度-地磁传感装置采用三轴加速度传感器或六轴加速度传感器。
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