CN106767737A - 基于虚拟现实技术的靶标姿态测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实(VR)技术的靶标姿态测量系统及其测量方法，该系统包括2个测量基站，1个测量靶标和一台配置有测量模块的计算机；所述测量基站，用于通过红外发光二极管阵列发出散射红外光，周期性的扫射测量靶标；所述测量靶标通过内设的光敏传感器接收所述散射红外光，并利用计时模块进行计时；所述测量靶标与所述计算机之间通过无线方式进行通信进行数据传输；所述计算机利用内设的测量模块根据接收到的所述数据进行最小二乘法求最优解，确定靶标坐标系位置和姿态。采用本发明，能够通过提高定姿精度和降低时延，实现用户体验过程中“完全在场感”提供技术支持，从而满足用户对VR场景更深层次沉浸感的需求。

Description

基于虚拟现实技术的靶标姿态测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术，尤其涉及一种基于虚拟现实(VR)技术的靶标姿态测量系统及其测量方法。

背景技术

虚拟现实(VR)技术，是利用电脑或其他智能计算设备模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供关于视觉、听觉、触觉等人体感官的模拟，让用户如同身临其境一般，即“完全在场感”。要实现这种“完全在场感”的使用体验，除了对VR系统的视觉性能指标有所要求外，还要求VR系统可以提供空间定位定姿功能。所谓定位即确定载体，如VR头盔、VR控制器、道具等在空间中包含三个自由度的位置信息；定姿即确定载体在空间中包含三个自由度的方向信息，通常使用欧拉角、四元数或旋转矩阵来表达载体的姿态信息。

目前VR系统中以定位定姿为基础的人机交互技术，由于受定姿精度低、时延大等技术瓶颈所限，已成为阻碍用户在VR系统中临场感体验的主要因素。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于虚拟现实(VR)技术的靶标姿态测量系统及其测量方法，通过提高定姿精度和降低时延，实现用户体验过程中“完全在场感”提供技术支持，从而满足用户对VR场景更深层次沉浸感的需求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于虚拟现实(VR)技术的靶标姿态测量系统，包括2个测量基站，1个测量靶标和一台配置有测量模块的计算机；其中：

所述测量基站，用于通过红外发光二极管阵列发出散射红外光，周期性的扫射测量靶标；

所述测量靶标通过内设的光敏传感器接收所述散射红外光，并利用计时模块进行计时；

所述测量靶标与所述计算机之间通过无线方式进行通信进行数据传输；

所述计算机利用内设的测量模块根据接收到的所述数据进行最小二乘法求最优解，确定靶标坐标系位置和姿态。

其中，所述测量基站为线性激光器的转台发射机。

所述测量基站周期性的扫射测量靶标，具体为：测量基站在水平方向和竖直方向在电机的带动下匀速旋转利用红外发光器散射出的红外光对测量靶标进行扫射。

所述测量靶标通过内设的计时模块记录和统计所述光敏传感器开始计时的时刻、水平或/和垂直方向的扫描时间差以及扫描周期数。

一种基于所述基于VR技术的靶标姿态测量系统的测量方法，包括如下步骤：

A、测量基站每隔一定时间，向外发射红外散射光提供时间基准；

B、在两个时间基准的间歇期，测量基站做2次光线扫描，扫描方向分别是水平和垂直方向；

C、测量靶标接收到散射光后开始计时，根据接收到水平和垂直方向扫描相对于散射光的时间差计算出空间角度；

D、根据测量出的4个空间角度计算测量靶标的姿态。

其中，步骤C所述的空间角度等于扫描转速×时间间隔。

步骤D所述根据测量出的4个空间角度计算靶标的姿态的过程，具体包括：

D1、设靶标坐标系{H}到基站坐标系{B1}的齐次变换矩阵为：

其中：p_x、p_y、p_z为靶标坐标系原点在基站坐标系的位置，为靶标坐标系在基站坐标系的旋转矩阵，其表征所述靶标的姿态；

D2、设光敏传感器为空间中一个质点p₁，它在靶标坐标系的位置是px₁、py₁、pz₁，则存在如下数学关系：

其中：分别为光敏传感器P₁在基站坐标系的位置；该公式(2)的物理意义是空间中某个质点在两个不同坐标系下的坐标之间的变换关系；

D3、依据基站坐标系与测量靶标坐标系的关系，以及扫描测量角度的原理得到如下关系：

其中，tanθ_y是Y轴的扫描测量角度，tanθ_x是X轴的扫描测量角度；该公式(3)的物理意义是绕X轴扫描平面与绕Y轴扫描平面的交线，即穿过基站坐标系原点和光敏传感器的一条空间直线；

D4、当有多个光敏传感器被扫描到，则依据公式(1)～(3)就可以建立非线性方程组，采用最小二乘法求最优解即可确定靶标坐标系位置和姿态。

本发明所提供的基于虚拟现实(VR)技术的靶标姿态测量系统及其测量方法，具有以下优点：

本发明的靶标姿态测量系统，采用基于时间为参数的激光测量法，相比现有的三角激光测量法，减少了系统所需线性激光器的转台发射机(即激光发射器、激光基站)的数量，降低了整体成本且使用更为方便。采用本发明的测量方法，由于对靶标姿态和位置的解算只涉及时间参数，不涉及复杂的图像处理过程，因此对位置的解算在设备中即可完成，大大简化了数据处理过程，因而能够大幅降低系统时延，最大程度上消除了系统可能对用户造成的眩晕感，同时还降低了功耗。此外，采用本发明的测量方法，通过支持结合多传感器的数据融合技术，如基于最小二乘法的传感器融合算法和基于卡尔曼滤波(最优估计)的传感器融合算法，能够大幅提高靶标(或载体)位置和姿态数据的测量精度，因而能够带来更好的用户体验。

附图说明

图1为本发明实施例基于虚拟现实(VR)技术的靶标姿态测量系统的组成示意图；

图2为本发明实施例基于虚拟现实(VR)技术的靶标姿态测量方法的流程示意图；

图2a为红外散射光提供时间基准的示意图；

图2b为红外散射光提供时间基准发射示意图；

图2c为测量基站发射光线时序示意图；

图2d为水平扫描状态示意图；

图2e为垂直扫描状态示意图；

图3为基站坐标系与靶标坐标系关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明基于虚拟现实(VR)技术的靶标姿态测量系统及其测量方法作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例基于虚拟现实(VR)技术的靶标姿态测量系统的组成示意图。

如图1所示，所述靶标姿态测量系统，主要包括2个测量基站、1个测量靶标和1台配置有测量模块的计算机。其中：

所述测量基站，可以是线性激光器的转台发射机(又称激光发射器、激光基站)，用于通过红外发光二极管阵列发出散射红外光，周期性的扫射测量靶标。

参考图2a所示，所述周期性的扫射测量靶标，是指测量基站在水平方向和竖直方向在电机的带动下匀速旋转利用红外发光器散射出的红外光对测量靶标进行扫射。

所述测量靶标通过内设的光敏传感器接收所述散射红外光，并利用计数(时)模块进行计数(时)。

参考图2a所示，所述测量靶标上设有多个光敏传感器，该光敏传感器对该波段的红外光敏感。光敏传感器感测到所述红外光时，启动测量靶标内的计数(时)模块开始计数(时)。所述计数(时)，包括记录和统计所述光敏传感器开始计时的时刻、水平或/和垂直方向的扫描时间差和扫描周期数、以及散射红外光扫射全程的时长等信息。

所述测量靶标与所述计算机之间通过无线方式进行通信实现数据的传输。

所述计算机利用内设的测量模块根据接收到的所述数据进行最小二乘法求最优解，从而确定靶标坐标系位置和姿态。

图2为本发明实施例基于虚拟现实(VR)技术的靶标姿态测量方法的流程示意图。

如图2所示，该靶标姿态测量方法，包括如下步骤：

步骤21：测量基站每隔一定时间，向外发射红外散射光提供时间基准。如图2a、图2b所示，当测量靶标接收到基站发射的散射红外光时，开始计时。

步骤22：在两个时间基准的间歇期，测量基站做2次光线扫描，扫描方向分别是水平和垂直方向。时序图如图2c所示。

步骤23：测量靶标接收到散射光后开始计时，根据接收到水平和垂直方向扫描相对于散射光的时间差计算出空间角度。如图2d、图2e所示。

由于水平和竖直方向扫描的速度是恒定的，所以从时间测量结果可直接推算出扫描的水平和竖直角度。

这里，所述空间角度等于扫描转速×时间间隔。对水平方向、垂直方向其原理相同。

步骤24：根据测量出的4个空间角度计算靶标的姿态。

如图3所示，所述计算靶标的姿态的具体过程如下：

由于光敏传感器在靶标上的位置是确定的，依据多个传感器的位置差可以确定靶标的位置和姿态。

假设靶标坐标系{H}到基站坐标系{B1}的齐次变换矩阵为：

其中：p_x、p_y、p₂为靶标坐标系原点在基站坐标系的位置，为靶标坐标系在基站坐标系的旋转矩阵，其表征所述靶标的姿态。

由于光敏传感器P₁在靶标坐标系的位置是确定且不变的(它由靶标的结构外形设计保证)。

设光敏传感器可以看成空间中一个质点P₁，它在靶标坐标系的位置是px₁、py₁、pz₁，则存在如下数学关系：

其中：分别为光敏传感器P₁在基站坐标系的位置。

该公式(2)的物理意义是：空间中某个质点在两个不同坐标系下的坐标之间的变换关系。

例如，对于某个光敏传感器P1，当在靶标坐标系下观测它时，它的坐标是px₁、py₁、pz₁；当在基站坐标系下观测它时，它的坐标为而两个坐标系之间的关系为这个变换矩阵中的元素p_x、p_y、p_z就是靶标位置，就是靶标的姿态，定位算法的目的就是求解中的各元素。

参考图3所示的基站坐标系与靶标坐标系关系示意图，由于依据扫描测量角度的原理还有如下的关系：

其中，tanθ_y是Y轴的扫描测量角度，tanθ_x是X轴的扫描测量角度。

该公式(3)的物理意义为：绕X轴扫描平面与绕Y轴扫描平面的交线，即穿过基站坐标系原点和光敏传感器的一条空间直线。

如果有多个光敏传感器被扫描到，那么根据公式(1)～(3)就可以建立非线性方程组求解位置和姿态。理论上，如果有3个光敏传感器被扫描到，就可以测量出位置和姿态，实际中被扫描到的点要比3个多，采用最小二乘法求最优解即可确定靶标坐标系位置和姿态。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于虚拟现实VR技术的靶标姿态测量系统，其特征在于，包括2个测量基站，1个测量靶标和一台配置有测量模块的计算机；其中：

所述测量基站，用于通过红外发光二极管阵列发出散射红外光，周期性的扫射测量靶标；

所述测量靶标通过内设的光敏传感器接收所述散射红外光，并利用计时模块进行计时；

所述测量靶标与所述计算机之间通过无线方式进行通信进行数据传输；

所述计算机利用内设的测量模块根据接收到的所述数据进行最小二乘法求最优解，确定靶标坐标系位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的基于VR技术的靶标姿态测量系统，其特征在于，所述测量基站为线性激光器的转台发射机。

3.根据权利要求1所述的基于VR技术的靶标姿态测量系统，其特征在于，所述测量基站周期性的扫射测量靶标，具体为：测量基站在水平方向和竖直方向在电机的带动下匀速旋转利用红外发光器散射出的红外光对测量靶标进行扫射。

4.根据权利要求1所述的基于VR技术的靶标姿态测量系统，其特征在于，所述测量靶标通过内设的计时模块记录和统计所述光敏传感器开始计时的时刻、水平或/和垂直方向的扫描时间差以及扫描周期数。

5.一种基于权利要求1～4任一项所述基于VR技术的靶标姿态测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、测量基站每隔一定时间，向外发射红外散射光提供时间基准；

B、在两个时间基准的间歇期，测量基站做2次光线扫描，扫描方向分别是水平和垂直方向；

C、测量靶标接收到散射光后开始计时，根据接收到水平和垂直方向扫描相对于散射光的时间差计算出空间角度；

D、根据测量出的4个空间角度计算靶标的姿态。

6.根据权利要求5所述的靶标姿态测量系统的测量方法，其特征在于，步骤C所述的空间角度等于扫描转速×时间间隔。

7.根据权利要求5所述的靶标姿态测量系统的测量方法，其特征在于，步骤D所述根据测量出的4个空间角度计算靶标的姿态的过程，具体包括：

D1、设靶标坐标系{H}到基站坐标系{B1}的齐次变换矩阵为：

$T_H^{B_1}=\left[\begin{array}{cccc}{n}_x& o_x& a_x& p_x\\ n_y& o_y& a_y& p_y\\ n_z& o_z& a_z& p_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中：p_x、p_y、p_z为靶标坐标系原点在基站坐标系的位置，为靶标坐标系在基站坐标系的旋转矩阵，其表征所述靶标的姿态；

D2、设光敏传感器为空间中一个质点P₁，它在靶标坐标系的位置是px₁、py₁、pz₁，则存在如下数学关系：

$\left[\begin{array}{c}p{x}_1^{B_1}\\ {\mathrm{py}}_1^{B_1}\\ {{\mathrm{pz}}_1^{B_1}}_1\\ 1\end{array}\right]=T_H^{B_1}\left[\begin{array}{c}p{x}_1\\ {\mathrm{py}}_1\\ {\mathrm{pz}}_1\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中：分别为光敏传感器P₁在基站坐标系的位置；该公式(2)的物理意义是空间中某个质点在两个不同坐标系下的坐标之间的变换关系；

D3、依据基站坐标系与测量靶标坐标系的关系，以及扫描测量角度的原理得到如下关系：

$\frac{{\mathrm{px}}_1^{B_1}}{{\mathrm{tan\θ}}_y}=\frac{{\mathrm{py}}_1^{B_1}}{{\mathrm{tan\θ}}_x}={\mathrm{pz}}_1^{B_1}---\left(3\right)$

其中，tanθ_y是Y轴的扫描测量角度，tanθ_x是X轴的扫描测量角度；该公式(3)的物理意义是绕X轴扫描平面与绕Y轴扫描平面的交线，即穿过基站坐标系原点和光敏传感器的一条空间直线；

D4、当有多个光敏传感器被扫描到，则依据公式(1)～(3)就可以建立非线性方程组，采用最小二乘法求最优解即可确定靶标坐标系位置和姿态。