CN111078489B - 电子装置及其姿态校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种姿态校正方法及电子装置。该姿态矫正方法用于一电子装置。该电子装置包括一惯性量测单元及一环境参数数据库。该方法包括下列步骤：利用该惯性量测单元以侦测该电子装置的惯性信息以产生一感测数据；依据该感测数据进行一姿态估测以得到一第一姿态；以及当该电子装置在非移动状态中，依据在该环境参数数据库中相应于该电子装置的目前位置的一环境参数对该第一姿态进行姿态校正。

Description

电子装置及其姿态校正方法

技术领域

本发明有关于电子装置，特别是有关于一种电子装置及其姿态校正方法。

背景技术

现有具有人体动作捕捉功能的电子装置，大部分需要在环境良好、磁场干扰少的环境下使用，才能维持准确的姿态估测结果。

然而，在一般使用中，在电子装置所处的环境中，可能周围会有许多电器，例如电视机、电脑屏幕、游戏主机、或家电用品等等，且这些电器都可能会产生磁场，进而影响电子装置。这种情况也会导致姿态估测的结果的准确度降低。

发明内容

本发明提供一种电子装置及其姿态校正方法以减轻各种不同环境磁场对姿态估测的影响，并增进姿态估测结果的准确度。

本发明提供一种姿态校正方法，用于一电子装置。该电子装置包括一惯性量测单元及一环境参数数据库。该方法包括下列步骤：利用该惯性量测单元以侦测该电子装置的惯性信息以产生一感测数据；依据该感测数据进行一姿态估测以得到一第一姿态；以及当该电子装置在非移动状态，依据在该环境参数数据库中相应于该电子装置的目前位置的一环境参数对该第一姿态进行姿态校正。

本发明还提供一种电子装置，包括：一惯性量测单元，用以侦测该电子装置的惯性信息以产生一感测数据；一环境参数数据库；以及一运算单元，用以依据该感测数据进行一姿态估测以得到一第一姿态，其中当该电子装置在非移动状态中，该运算单元依据在该环境参数数据库中所储存相应于该电子装置的位置的一环境参数对该第一姿态进行姿态校正。

附图说明

以下图示配合之后所列举详细实施方式，将帮助了解本发明内容，其中：

图1显示依据本发明一实施例中的电子装置的功能方块图。

图2显示依据本发明一实施例中测量磁场参数的示意图。

图3A显示依据本发明一实施例中测量磁场参数的俯视图。

图3B显示依据本发明一实施例中的环境参数数据库的分组的示意图。

图4A显示依据本发明一实施例中的电子装置的移动路径的示意图。

图4B显示依据本发明另一实施例中的电子装置的移动路径的示意图。

图5显示依据本发明一实施例在初始状态对惯性量测单元进行校正的流程图。

图6显示依据本发明一实施例的环境参数数据库的建立过程的流程图。

图7显示依据本发明一实施例中的姿态校正方法的流程图。

具体实施方式

以下叙述列举本发明的多种实施方式。以下叙述介绍本发明的基本概念，且并非意图限制本发明内容。实际发明范围应依照权利要求界定之。

图1显示依据本发明一实施例中的电子装置的功能方块图。电子装置100例如可为一人体动作捕捉装置。如图1所示，电子装置100包括一或多个惯性量测单元(inertialmeasurement unit，IMU)110、一运算单元120、一非易失性存储器130、一易失性存储器140、及一显示器150。

惯性量测单元110用以量测电子装置100的各种惯性信息并产生一感测数据。在一实施例中，惯性量测单元110包括一陀螺仪(gyroscope)111、一加速度计(accelerometer)112、及一磁力计(magnetometer)113。陀螺仪111用以量测电子装置100的方向(orientation)及角速度(angular speed)，加速度计112用以量测电子装置100的加速度，磁力计113用以量测电子装置100的磁场强度及方向，其中陀螺仪111、加速度计112、及磁力计113所量测到的数据均属于惯性信息。运算单元120例如为一通用处理器(general-purpose processor)、一数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、一微处理器(microprocessor)、或一微控制器(microcontroller)等等，但本发明并不限于此。

非易失性存储器130例如可为一硬盘驱动器(hard disk drive)、一固态硬盘(solid-state disk)、一只读存储器(read-only memory)等存储器装置，但本发明并不限于此。非易失性存储器130例如可储存一磁力影响补偿程序131、一环境参数数据库132、及一姿态估计程序(pose estimation program)133。

易失性存储器140例如可为一随机存取存储器，例如是静态随机存取存储器(static random access memory，SRAM)或动态随机存取存储器(dynamic random accessmemory，DRAM)，但本发明并不限于此。

显示器150例如可为一头戴式显示器(head-mounted display)、一液晶显示器(liquid crystal display)、发光二极管显示器、有机发光二极管显示器等等，但本发明并不限于此。

在一实施例中，惯性量测单元110例如可安装或附着于电子装置100的使用者的头部、四肢、身体等部位，并可分别侦测在不同部位的惯性信息。

运算单元120可将磁力影响补偿程序131及姿态估计程序133由非易失性存储器130读取至易失性存储器140并执行。举例来说，磁力影响补偿程序131可接收来自各惯性量测单元110的感测数据并计算电子装置100的惯性信息，并可判断目前电子装置100的周围环境的磁场的影响程度，并据以校正所计算出的电子装置100的惯性信息。姿态估计程序133可依据运算单元120所计算出的惯性信息以估计使用者的姿态(pose)以建构人体动作行为。

当使用者配戴电子装置100并移动时，运算单元120可建立或更新在不同位置下的磁场方向及强度，并记录于环境参数数据库132之中。举例来说，在一般的家庭中，可能周围会有许多电器，例如电视机、电脑屏幕、游戏主机、或家电用品等等，且这些电器都可能会产生磁场，进而影响电子装置100。当使用者在家里配戴电子装置100并移动时，磁力计在不同位置所侦测到的磁场强度及方向均可能不同，而且使用者一直移动时，惯性感测单元110所侦测到的感测数据的误差等级(error level)也会随着时间一直累积而增加。本发明可建立电子装置100周围的一磁场信息的环境参数数据库，并可依据不同位置的磁场信息以校正运算单元120所计算出的电子装置100的惯性信息，以利于后续的姿态估测的判断。

图2显示依据本发明一实施例中测量磁场参数的示意图。如图2所示，惯性量测单元110中的陀螺仪111、磁力计113、及加速度计112可分别侦测出电子装置100所在的位置的水平线203、磁场向量202、及重力向量201。其中，在图2中的磁场向量202的长度表示磁场强度。运算单元120依据惯性量测单元110所侦测到的感测信息以计算出磁力向量202及重力向量201的夹角(dip angle)及磁场强度值(magnitude)。其中磁力向量202及重力向量201的夹角亦可称为一水平姿态角θ。

图3A显示依据本发明一实施例中测量磁场参数的俯视图。在一实施例中，运算单元120亦可利用目前所估测出的姿态以及磁力计113的数值以估计磁场水平方向(horizontal magnetic heading)320，其中方向310例如可为运算单元120所设定的一参考方向或初始方向，且运算单元120计算方向310及磁场水平方向320之间的夹角α。

图3B显示依据本发明一实施例中的环境参数数据库的分组的示意图。此外，在一实施例中，平面的整圈的角度共有360度。若在电子装置100的初始位置设定为0度，例如方向300。运算单元120可将360度的范围(例如为正负180度的范围)分为多组数据，并将相应的磁场水平方向、磁场强度、及夹角记录于环境参数数据库132。举例来说，在环境参数数据库132中的每组数据分别表示在正负1度之间的α角度范围。例如第一组数据的α角度范围为-1度至+1度，第二组数据的α角度范围为+1度至+3度，依此类推。在环境参数数据库132的数据的组数可依实际情况设定。若每一组的角度范围愈小，则数据组数则愈多，且磁场信息的解析度也愈高。在图3B中，运算单元120将环境参数数据库132的数据组数设定为16。

图4A是显示依据本发明一实施例中的电子装置的移动路径的示意图。

如图4A所示，当使用者配戴电子装置100且在A点位置将电子装置100开启，运算单元120则会将A点位置设定为初始位置(亦是参考位置)，并利用惯性量测单元110侦测在A点位置的环境参数。此时，运算单元120会将A点位置的误差(error level)设定为0。

当使用者沿着路径401持续移动经过5秒后到达B点位置并停止移动，此时，运算单元120在B点位置所计算出的惯性信息会累积至误差E1。因为电子装置100在启动后是第一次到达B点位置，环境参数数据库132并不存在关于B点位置的相关数据，故运算单元120会在环境参数数据库132中记录B点位置的环境参数。

接着，使用者再由B点位置出发，沿着路径402持续移动经过50秒后再度回到B点位置并停止移动。若假设电子装置100只经过路径402所累积的误差为E2，运算单元120在第二次到达B点位置所计算出的惯性信息的误差累积至误差(E1+E2)。

接着，运算单元120判断出误差(E1+E2)大于误差E1，此时，运算单元120并不进行数据库更新，并将目前惯性量测单元110的状态校正回先前记录在环境参数数据库132中关于B点位置的误差E1。意即，若电子装置100不再回到A点位置，而是以B点位置作为后续的基准位置，则运算单元120会以B点位置的误差E1进行校正。

图4B显示依据本发明另一实施例中的电子装置的移动路径的示意图。

如图4B所示，当使用者配戴电子装置100且在A点位置将电子装置100开启，运算单元120则会将A点位置设定为初始位置(亦是参考位置)，并利用惯性量测单元110侦测在A点位置的环境参数。此时，运算单元120会将A点位置的误差(error level)设定为0。

当使用者沿着路径403持续移动经过50秒后到达B点位置并停止移动，此时，运算单元120在B点位置所计算出的惯性信息会累积至误差E1。因为电子装置100在启动后是第一次到达B点位置，环境参数数据库132并不存在关于B点位置的相关数据，故运算单元120会在环境参数数据库132中记录B点位置的环境参数。

接着，使用者再由B点位置出发，沿着路径404持续移动经过30秒后回到A点位置并暂时停留。运算单元120可依据在环境参数数据库132中所记录的A点位置的环境参数判断电子装置100已回到A点位置，故会将惯性量测单元110的感测信息的误差逐渐随着时间慢慢校正为0。

接着，使用者再由A点位置出发，沿着路径405持续移动经过5秒后回到B点位置并停留。若假设电子装置100只经过路径405所累积的误差为E2，但是途中在有回到A点位置，故运算单元120可对误差进行校正，例如校正回A点位置的误差0。因此，运算单元120在第二次到达B点位置所计算出的惯性信息的误差累积至误差E2。当误差E2小于先前在B点位置所记录的误差E1时，运算单元120更新环境参数数据库132中关于B点位置的环境参数。

在一实施例中，在电子装置100在持续移动时，会造成惯性感测单元110的感测数据的误差持续累积，例如陀螺仪111所侦测到的旋转角度数据的误差会愈来愈大。若依第4B点中，使用者沿着路径404由B点位置回到A点位置时，运算单元120则依据在环境参数数据库132中关于A点位置的环境参数对陀螺仪111侦测到的旋转角度数据进行校正，并调整至一开始在A点位置的旋转角度状态。在此例子中以陀螺仪的感测数据(旋转角度数据)为例，加速度计112及磁力计113的感测数据亦可用类似的方式进行校正。

详细而言，若A点位置为初始位置，若电子装置100由A点位置离开，经过相当长的时间后，只要电子装置100回到A点位置，运算单元120即可依据在环境参数数据库132中关于A点位置的环境参数对惯性量测单元110的感测数据进行校正。

图5显示依据本发明一实施例在初始状态对惯性量测单元进行校正的流程图。

在步骤S502，启动惯性量测单元110。

在步骤S504，判断是否已知惯性量测单元110的初始水平姿态角。若是，则执行步骤S510。若否，则执行步骤S506。

在步骤S506，将惯性量测单元110保持静态一预定时间，例如数秒。此时，惯性量测单元110即可侦测目前环境的各种惯性信息。

在步骤S508，计算惯性量测单元110的初始水平姿态角。举例来说，可依据步骤S506中惯性量测单元110在静态时的惯性信息以计算初始水平姿态角。

在步骤S510，设定惯性量测单元110的初始航向姿态角。

在步骤S512，利用卡尔曼滤波器(Kalman filter)建模并进行初始化。本发明领域技术人员当可了解如何利用卡尔曼滤波器与水平姿态角及航向姿态角进行建模，其细节于此不再详述。

在步骤S514，对惯性量测单元110进行校正操作。举例来说，校正操作例如可控制惯性量测单元110绕着其量测中心(或近似绕其量测中心)在空间内旋转，并同时进行数据处理。

在步骤S516，判断待估惯性量测单元参数是否已收敛(converge)至相应程度。若是，则执行步骤S518；若否，则回到步骤S514继续校正操作。

在步骤S518，校正完成，并获得惯性量测单元参数。举例来说，当步骤S518完成后即表示惯性量测单元110的校正程序已经完成，且可开始利用惯性量测单元110的感测数据进行后续运算。

图6显示依据本发明一实施例的环境参数数据库的建立过程的流程图。在步骤S601，估计电子装置100的目前磁力方向(current magnetic heading)。其中磁力方向为水平的磁力方向，例如可参考图3A的实施例。

在步骤S602，判断目前磁力方向是否在环境参数数据库132中。若是，则执行步骤S604；若否，则执行步骤S603。

在步骤S603，将目前磁力方向记录至环境参数数据库132中。意即，在步骤S602判断为「否」时，表示目前磁力方向并未储存于环境参数数据库132中，故可将目前磁力方向记录于环境参数数据库132中。

在步骤S604，判断惯性量测单元110的目前误差是否小于数据库数据。若是，则执行步骤S605；若否，则执行步骤S607。

在步骤S605，更新数据库数据。因为惯性量测单元110的目前误差小于环境参数数据库132中的数据库数据(需为相同或类似的环境参数)，故运算单元120可将惯性量测单元110的目前误差更新至环境参数数据库132。若惯性量测单元110的目前误差大于环境参数数据库132中的数据库数据，则运算单元120不更新环境参数数据库132中的数据库数据。

在步骤S607，在环境参数数据库132中搜寻适合的感测数据。因为环境参数数据库132中有针对环境参数(例如图3中的方向310及磁场水平方向320之间的夹角α)进行分组，故目前位置的环境参数不一定跟环境参数数据库132中相应的分组的环境参数完全一致。因此，运算单元120仍需由环境参数数据库132中搜寻是否存在有适合的感测数据以进行姿态校正。

图7显示依据本发明一实施例中的姿态校正方法的流程图。

在步骤S701，初始化环境参数数据库132并记录初始数据。举例来说，当开启或重置电子装置100时，运算单元120需要初始化环境参数数据库132，因为在初始状态下，初始化环境参数数据库132并未记录任何环境参数的数据。接着，运算单元120将惯性量测单元110在初始状态(例如在一初始位置)所侦测到的初始数据(即环境参数)写入初始化环境参数数据库132。

在步骤S702，利用惯性量测单元110进行姿态估测。举例来说，运算单元120可利用惯性量测单元110所侦测到的感测数据进行姿态估测以得到一第一姿态。

在步骤S703，判断电子装置100是否在移动状态。若是，则执行步骤S704；若否，则步骤S705。

在步骤S704，估计误差。举例来说，当电子装置100持续在移动状态，惯性量测单元110的感测数据的误差会随着时间持续累积，因误差会随着移动状态的时间而增加，若发生姿态校正事件则递减。

在步骤S705，估计目前环境参数。举例来说，因为电子装置100并未移动，故可在电子装置100处在静态时，利用惯性量测单元110的感测数据来估计目前环境参数，例如角度旋转量、水平磁场方向、磁力向量及重力向量的夹角、及磁力强度值等等。

在步骤S706，判断是否执行环境参数数据库132的记录或更新。举例来说，判断是否执行环境参数数据库132的记录或更新可参考图6的流程。

在步骤S707，在环境参数数据库132中搜寻适合的感测数据。步骤S707与步骤S607相同，因为环境参数数据库132中有针对环境参数(例如图3中的方向310及磁场水平方向320之间的夹角α)进行分组，故目前位置的环境参数不一定跟环境参数数据库132中相应的分组的环境参数完全一致。因此，运算单元120仍需由环境参数数据库132中搜寻是否存在有适合的感测数据以进行姿态校正。若有适当的感测数据，则执行步骤S708；若无适当的感测数据，则执行步骤S709。

在步骤S708，进行姿态校正。举例来说，运算单元120可依据由环境参数数据库132所取得适合的感测数据(例如可为已校正或未校正的惯性信息)对步骤S702中所估测的第一姿态进行姿态校正。

在步骤S709，判断是否已使用完成。若是，则结束此流程，例如可停止动作侦测或关闭电子装置100；若否，则回到步骤S702。

综上所述，本发明提供一种电子装置及其姿态校正方法，其可利用惯性量测单元建立电子装置周围的一环境参数数据库，且可动态地利用具有较小误差的目前环境参数以更新环境参数数据库中所储存的环境参数，并利用更新后的环境参数来校正惯性量测单元的感测数据，藉以减轻在环境中的各种磁场对姿态估计的影响，并可得到更准确的姿态估计结果。

本发明虽以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (8)

1.一种姿态校正方法，用于一电子装置，其中该电子装置包括一惯性量测单元及一环境参数数据库，该方法包括：

利用该惯性量测单元以侦测该电子装置的惯性信息以产生一感测数据；

依据该感测数据进行一姿态估测以得到一第一姿态；以及

当该电子装置在非移动状态，依据在该环境参数数据库中相应于该电子装置的目前位置的一环境参数对该第一姿态进行姿态校正；

所述姿态校正方法还包括：

判断该电子装置是否在移动中；

当该电子装置在移动状态，估计该感测数据的一第一误差；

当该电子装置在非移动状态，估计该电子装置的位置的一目前环境参数，并取得该感测数据的该第一误差；

依据该目前环境参数以取得在该环境参数数据库中相应的分组中所记录的该环境参数及该环境参数的一第二误差；

判断该第一误差是否小于该第二误差；以及

当该第一误差小于该第二误差时，将该目前环境参数更新至该环境参数数据库以取代该环境参数；

其中该环境参数包括一水平磁场方向，其中所述相应的分组包括基于设定的一参考方向或初始方向与该水平磁场方向之间的夹角划分。

2.如权利要求1所述的姿态校正方法，还包括：

当该目前环境参数尚未记录于该环境参数数据库中的相应的分组时，将该目前环境参数储存于该环境参数数据库中。

3.如权利要求1所述的姿态校正方法，其中当该电子装置在移动状态时，该第一误差随着时间增加。

4.如权利要求1所述的姿态校正方法，其中该环境参数包括该电子装置的一角度旋转量、一磁力向量及一重力向量的夹角、及一磁力强度值。

5.一种电子装置，包括：

一惯性量测单元，用以侦测该电子装置的惯性信息以产生一感测数据；

一环境参数数据库；以及

一运算单元，用以依据该感测数据进行一姿态估测以得到一第一姿态，

其中当该电子装置在非移动状态，该运算单元依据在该环境参数数据库中所储存相应于该电子装置的位置的一环境参数对该第一姿态进行姿态校正；

其中该运算单元还判断该电子装置是否在移动状态；

当该电子装置在移动状态，该运算单元估计该感测数据的一第一误差；

当该电子装置在非移动状态，该运算单元估计该电子装置的目前位置的一目前环境参数，并取得该感测数据的该第一误差；

该运算单元依据该目前环境参数以取得在该环境参数数据库中相应的分组中所记录的该环境参数及该环境参数的一第二误差；

该运算单元还判断该第一误差是否小于该第二误差；

当该第一误差小于该第二误差时，该运算单元将该目前环境参数更新至该环境参数数据库以取代该环境参数；

其中该环境参数包括一水平磁场方向，其中所述相应的分组包括基于设定的一参考方向或初始方向与该水平磁场方向之间的夹角划分。

6.如权利要求5所述的电子装置，其中当该目前环境参数尚未记录于该环境参数数据库中的相应的分组时，该运算单元将该目前环境参数储存于该环境参数数据库中。

7.如权利要求5所述的电子装置，其中当该电子装置在移动状态时，该运算单元所计算的该第一误差随着时间增加。

8.如权利要求5所述的电子装置，其中该环境参数包括该电子装置的一角度旋转量、一磁力向量及一重力向量的夹角、及一磁力强度值。

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