CN108008818A - 一种基于虚拟现实的头盔式人机交互系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟现实的头盔式人机交互系统及方法，包括头戴设备、移动机器人和控制手柄；所述头戴设备、移动机器人和控制手柄之间相互通讯连接；所述头戴设备包括控制单元、VR头部检测模块、通信模块A和显示设备；所述移动机器人包括图像拍摄模块、图像传送模块、移动指令接收模块、计算模块和驱动模块；所述移动控制手柄包括手柄壳体、控制单元A、编码按键和指令发送模块。该基于虚拟现实的头盔式人机交互系统设计合理，容易操作，在使机器人接受用户控制操作的同时将视野中的内容通过VR设备再现给用户，同时采用双目视觉技术，将使交互体验将更加逼真。
Description
技术领域
本发明涉及一种人机交互系统，具体是一种基于虚拟现实的头盔式人机交互系统及方法。
背景技术
VR（Virtual Reality，即虚拟现实，简称VR）设备是与虚拟现实技术领域相关的硬件产品，是虚拟现实解决方案中用到的硬件设备。随着科技的不断发展，VR技术不断普及，现有市面上的VR设备大多仅限于电影行业给予用户良好的视觉体验。但是将VR与人机交互领域相结合还鲜有人尝试。
因此，本发明提供一种基于VR的新型的人机交互技术，在使机器人接受用户控制操作的同时将视野中的内容通过VR设备再现给用户。同时，由于采用双目视觉技术，将使交互体验将更加逼真。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于虚拟现实的头盔式人机交互系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于虚拟现实的头盔式人机交互系统及方法，包括头戴设备、移动机器人和控制手柄；所述头戴设备、移动机器人和控制手柄之间相互通讯连接；所述头戴设备包括控制单元、VR头部检测模块、通信模块A和显示设备，所述显示设备包括设备主体、两个镜头和用于调节焦距的焦点调节装置；所述移动机器人包括图像拍摄模块、图像传送模块、移动指令接收模块、计算模块和驱动模块；所述图像拍摄模块包括双摄像头和双摄像头驱动装置，双摄像头设于双摄像头驱动装置上，双摄像头驱动装置驱动双摄像头的上下左右旋转；所述移动控制手柄包括手柄壳体、控制单元A、编码按键和指令发送模块。
作为本发明进一步的方案：所述通信模块A采用WiFi模块，所述图像传送模块包括WiFi天线。
作为本发明进一步的方案：所述移动指令接收模块包括蓝牙；所述指令发送模块由蓝牙模块组成。
作为本发明进一步的方案：所述计算模块包括集成芯片；所述驱动模块包括电机和驱动板，所述驱动板包括MOS管和散热片。
作为本发明进一步的方案：所述控制单元A采用51单片机。
作为本发明进一步的方案：所述VR头部检测模块包括MPU6050传感器。
作为本发明进一步的方案：所述显示设备上还设有显示设备卡口和USB连接口，显示设备的后端两侧分别与头部调节带的两端固定连接。
作为本发明进一步的方案：所述双摄像头驱动装置采用双轴云台。
作为本发明进一步的方案：包括以下步骤：头戴设备通过VR头部检测模块实时监测用户头部姿态信息，并通过卡尔曼滤波算法计算出在XYZ三个方向的偏移量，头戴设备通过WIFI模块将偏移量信息发送至移动机器人；移动机器人通过WiFi天线接收偏移量信息，并通过双轴云台驱动双摄像头的上下左右旋转，双摄像头拍摄图像，移动机器人通过WiFi天线将双摄像头拍摄的图像传送至头戴设备，头戴设备接收图像信息，并通过显示设备显示，显示设备采用双目视觉技术显示双摄像头得到的两幅图像；通过移动控制手柄向移动机器人发送相应控制指令，蓝牙模块在编码按键按下时向移动机器人发送相应控制指令；移动机器人通过蓝牙接收指令，并通过驱动模块驱动移动机器人的移动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该基于虚拟现实的头盔式人机交互系统设计合理，结构紧凑，使用方法简单，容易操作，在使机器人接受用户控制操作的同时将视野中的内容通过VR设备再现给用户，同时采用双目视觉技术，将使交互体验将更加逼真；该基于虚拟现实的头盔式人机交互方法可以通过所戴设备人员头部的转动实施机器人所载图像摄影设备的转动，通过控制移动控制设备实施机器人的移动，从而实现不同位置不同角度的图像拍摄，并传输至头戴式显示屏并显示。
附图说明
图1为本发明中头戴设备的结构示意图。
图2为本发明中移动机器人的结构示意图。
图3为本发明中控制手柄的结构示意图。
图4为本发明的工作流程示意图。
图5为本发明的结构框图。
其中：1-镜头；2-焦点调节装置；3-WiFi模块；4-头部调节带；5-VR头部检测模块；6-显示设备；7-显示设备卡口；8-USB连接口；9-蓝牙；10-集成芯片；11-电机；12-双摄像头；13-WiFi天线；14-双轴云台；15-蓝牙模块；16-编码按键；17-头戴设备；18-移动机器人；19-控制手柄。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-5，一种基于虚拟现实的头盔式人机交互系统，包括头戴设备17、移动机器人18和控制手柄19；所述头戴设备17、移动机器人18和控制手柄19之间相互通讯连接；
所述控制手柄19，用于给移动机器人18发送移动控制指令；
所述移动机器人18，用于接收头戴设备17发送的头部姿态信息，根据头部姿态信息转动双轴云台14；用于接收控制手柄19发送的移动控制指令，驱动移动机器人18前进后退和转弯，驱动双摄像头12拍摄图像，并通过局域网将图像发送至头戴设备17；
所述头戴设备17用于检测头部姿态信息，并将头部姿态信息发送至移动机器人18，用于接收移动机器人18发送的图像，并通过显示设备6显示接收到的图像（采用双目视觉技术），所谓双目视觉技术，即将一个显示屏分为两个画面，分别播放双摄像头12得到的两幅图像；双目视觉技术为现有技术，将从不同角度拍摄的同一物体两幅画面合成一幅画面，相关像素重叠；
所述头戴设备17包括头部调节带4、控制单元、WiFi模块3、VR头部检测模块5和显示设备6，控制单元、WiFi模块3和VR头部检测模块5均设于显示设备6上，控制单元采用树莓派，WiFi模块3、VR头部检测模块5和显示设备6均连接至控制单元；所述显示设备6包括设备主体、两个镜头1和用于调节焦距的焦点调节装置2，焦距调节装置2可以用来调节图像以适合人眼焦距，显示设备6用于向测试者准确显示拍摄图像；所述显示设备6包括两个显示区域，分别用于播放双摄像头12得到的两幅图像；所述WIFI模块3用于接收双摄像头12所拍摄图像和将头戴设备17的头部姿态信息发送至移动机器人18；所述VR头部检测模块5用于检测并计算头部姿态信息，所述VR头部检测模块5包括MPU6050传感器，MPU6050传感器同时集成了陀螺仪和加速度计用于采集信息，且采用卡尔曼滤波算法，最终可以返回头部在XYZ三个轴方向上的位置信息；所述显示设备6上还设有显示设备卡口7和USB连接口8，显示设备卡口7可以通过连接显示设备将图像显示在显示设备上，显示设备卡口是用来输出视频图像的接口，显示设备卡口可采用VGA接口或DVI接口，通过连接一根相应的连接线至显示设备，即可在显示设备上显示视频图像；USB连接口8可以用来插入USB设备，显示设备6的后端两侧分别与头部调节带4的两端固定连接，头部调节带4用于调节绑带的松紧；发送头部姿态信息，头戴设备与机器人建立无线传输，开辟一个单独的端口用来传输头部姿态信息，移动机器人接收的时候采用wifi转串口工具接收即可；
所述移动机器人18包括图像拍摄模块、图像传送模块、移动指令接收模块、计算模块和驱动模块；所述图像拍摄模块包括双摄像头12和双轴云台14，双摄像头12用于拍摄周围图像，双摄像头12设于双轴云台14上端，双轴云台14用于实现双摄像头12的上下左右旋转；所述图像传送模块包括WiFi天线13，用于将双摄像头12拍摄的图像传送至头戴设备17；所述移动指令接收模块包括蓝牙9，用于接收移动指令，移动指令包括前进，后退，左转，右转指令；所述计算模块包括集成芯片10，用于处理复杂的计算和数据的传递，所述集成芯片10采用树莓派集成芯片，图像拍摄模块、图像传送模块、移动指令接收模块和驱动模块均连接至集成芯片10；所述驱动模块包括电机11和驱动板，驱动模块采用现有的装置，所述驱动板包括MOS管和散热片，用于放大电流，驱动电机，所述电机11用于控制整个机器人的移动，所述移动指令接收模块在接收到移动指令时，移动机器人18受电机11驱动移动，在收到移动控制指令时，移动机器人保持静止姿态；移动机器人18得到头部姿态信息后，集成芯片10输出相应pwm波，双轴云台14由两个舵机组成，pwm波控制双轴云台14在左右和上下两个方向的旋转，所述双轴云台14型号采用螃蟹王国品牌的舵机云台1号；驱动机器人前进后退和转弯，此处接收控制信号采用蓝牙，根据得到的控制信号输出相应PWM波，机器人底部的履带由电机11驱动，pwm波控制电机11的转动；驱动摄像头拍摄图像，通过编写程序，满足摄像头引脚的相应时序即可；通过局域网发送图像，移动机器人的wifi天线与头戴设备的WiFi模块取得连接，使用wifi传输软件即可完成图像的传输；
所述移动控制手柄19包括手柄壳体、51单片机、编码按键16和指令发送模块；所述编码按键16和指令发送模块均连接至51单片机，控制手柄中的检测和控制功能由51单片机完成；所述编码按键用于指示不同的控制信息；所述指令发送模块由蓝牙模块14组成，蓝牙模块14用于当编码按键16按下时向移动机器人发送相应控制指令；当控制手柄上前进按键被按下时，控制手柄中的51单片机检测到，然后从串口发送出指令，指令经过串口到达蓝牙模块14，蓝牙模块14再将指令发送出去。
一种基于虚拟现实的头盔式人机交互方法，包括以下步骤：头戴设备17通过VR头部检测模块5实时监测用户头部姿态信息，并通过卡尔曼滤波算法计算出在XYZ三个方向的偏移量；通过WIFI模块3，将偏移量信息发送至移动机器人18；移动机器人18通过WiFi天线13接收偏移量信息，并通过双轴云台14驱动双摄像头12的上下左右旋转，双摄像头12拍摄图像，移动机器人18通过WiFi天线13将双摄像头12拍摄的图像传送至头戴设备17，头戴设备17接收图像信息，并通过显示设备6显示，显示设备6采用双目视觉技术显示双摄像头12得到的两幅图像；通过移动控制手柄19向移动机器人发送相应控制指令，蓝牙模块14在编码按键16按下时向移动机器人发送相应控制指令；移动机器人18通过蓝牙9接收指令，并通过驱动模块驱动移动机器人18的移动。
本发明的工作原理是：头戴设备17中wifi模块用于接收局域网中传输的图像，焦距调节装置可以用来调节图像以适合人眼焦距；USB连接处可以用来插入USB设备；显示设备卡口可以通过连接显示设备将图像显示在显示设备上；VR头部检测模块用于检测头部的姿态信息。头部调节带用于调节绑带的松紧；在本发明实施方式中，WIFI模块3接收来自局域网的图像信息并通过镜头1显示，测试者可以通过调节焦距使图像最佳，同时VR头部检测模块将头部姿态信息通过WIFI模块发送。移动机器人18中双摄像头用于拍摄周围环境的图像，WIFI天线用于将拍摄的图像发送给头戴设备，双轴云台可以上下左右旋转，蓝牙用于接收移动指令，集成芯片用于各种数据的运算，电机推动整个机器人的移动；在本发明实施方式中，双摄像头拍摄图像，WIFI天线将图像传送给头戴设备，同时WIFI天线接收来自头戴设备的头部姿态信息，集成芯片进行卡尔曼滤波算法的解算，双轴云台进行转动，蓝牙模块接受来自控制手柄的移动信息，芯片经过解算输出相应的PWM波，从而电机转动。移动控制手柄19中四个按键有各自的编码，分别代表前进，后退，左转，右转，蓝牙模块将按键编码发送给移动控制机器人，在本发明实施方式中，测试者按下编码按键，内部芯片检测出按键编码，并通过蓝牙模块向移动机器人发送。可以通过所戴设备人员头部的转动实施机器人所载图像摄影设备的转动，通过控制移动控制设备实施机器人的移动，从而实现不同位置不同角度的图像拍摄，并传输至头戴式显示屏并显示。
该基于虚拟现实的头盔式人机交互系统设计合理，结构紧凑，使用方法简单，容易操作，在使机器人接受用户控制操作的同时将视野中的内容通过VR设备再现给用户，同时采用双目视觉技术，将使交互体验将更加逼真；该基于虚拟现实的头盔式人机交互方法可以通过所戴设备人员头部的转动实施机器人所载图像摄影设备的转动，通过控制移动控制设备实施机器人的移动，从而实现不同位置不同角度的图像拍摄，并传输至头戴式显示屏并显示。
在本基于虚拟现实的头盔式人机交互系统及方法的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (9)
1.一种基于虚拟现实的头盔式人机交互系统，其特征在于，包括头戴设备（17）、移动机器人（18）和控制手柄（19）；所述头戴设备（17）、移动机器人（18）和控制手柄（19）之间相互通讯连接；所述头戴设备（17）包括控制单元、VR头部检测模块（5）、通信模块A和显示设备（6），所述显示设备（6）包括设备主体、两个镜头（1）和用于调节焦距的焦点调节装置（2）；所述移动机器人（18）包括图像拍摄模块、图像传送模块、移动指令接收模块、计算模块和驱动模块；所述图像拍摄模块包括双摄像头（12）和双摄像头驱动装置，双摄像头（12）设于双摄像头驱动装置上，双摄像头驱动装置驱动双摄像头（12）的上下左右旋转；所述移动控制手柄（19）包括手柄壳体、控制单元A、编码按键（16）和指令发送模块。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的头盔式人机交互系统，其特征在于，所述通信模块A采用WiFi模块（3），所述图像传送模块包括WiFi天线（13）。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的头盔式人机交互系统，其特征在于，所述移动指令接收模块包括蓝牙（9）；所述指令发送模块由蓝牙模块（14）组成。
4.根据权利要求3所述的基于虚拟现实的头盔式人机交互系统，其特征在于，所述计算模块包括集成芯片（10）；所述驱动模块包括电机（11）和驱动板，所述驱动板包括MOS管和散热片。
5.根据权利要求4所述的基于虚拟现实的头盔式人机交互系统，其特征在于，所述控制单元A采用51单片机。
6.根据权利要求5所述的基于虚拟现实的头盔式人机交互系统，其特征在于，所述VR头部检测模块（5）包括MPU6050传感器。
7.根据权利要求6所述的基于虚拟现实的头盔式人机交互系统，其特征在于，所述显示设备（6）上还设有显示设备卡口（7）和USB连接口（8），显示设备（6）的后端两侧分别与头部调节带（4）的两端固定连接。
8.根据权利要求7所述的基于虚拟现实的头盔式人机交互系统，其特征在于，所述双摄像头驱动装置采用双轴云台（14）。
9.一种如权利要求8所述的基于虚拟现实的头盔式人机交互方法，其特征在于，包括以下步骤：头戴设备（17）通过VR头部检测模块（5）实时监测用户头部姿态信息，并通过卡尔曼滤波算法计算出在XYZ三个方向的偏移量，头戴设备（17）通过WIFI模块（3）将偏移量信息发送至移动机器人（18）；移动机器人（18）通过WiFi天线（13）接收偏移量信息，并通过双轴云台（14）驱动双摄像头（12）的上下左右旋转，双摄像头（12）拍摄图像，移动机器人（18）通过WiFi天线（13）将双摄像头（12）拍摄的图像传送至头戴设备（17），头戴设备（17）接收图像信息，并通过显示设备（6）显示，显示设备（6）采用双目视觉技术显示双摄像头（12）得到的两幅图像；通过移动控制手柄（19）向移动机器人发送相应控制指令，蓝牙模块（14）在编码按键（16）按下时向移动机器人发送相应控制指令；移动机器人（18）通过蓝牙（9）接收指令，并通过驱动模块驱动移动机器人（18）的移动。
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