WO2018162152A2 - Bestimmung einer räumlichen ausrichtung - Google Patents

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WO2018162152A2
WO2018162152A2 PCT/EP2018/052484 EP2018052484W WO2018162152A2 WO 2018162152 A2 WO2018162152 A2 WO 2018162152A2 EP 2018052484 W EP2018052484 W EP 2018052484W WO 2018162152 A2 WO2018162152 A2 WO 2018162152A2
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sensor
spatial orientation
axis
determining
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Rudolf Bichler
Amithash KANKANALLU JAGADISH
Markus DIHLMANN
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
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    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0346—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of the device orientation or free movement in a 3D space, e.g. 3D mice, 6-DOF [six degrees of freedom] pointers using gyroscopes, accelerometers or tilt-sensors

Definitions

  • the invention relates to the determination of a spatial orientation.
  • the invention relates to the determination of the spatial orientation of a VR device (VR: Virtual Reality) attached to the head of a user.
  • VR Virtual Reality
  • an attached to the head of the user optical or acoustic VR device (“headset”) may be provided, which includes, for example, a visual display device and / or an acoustic output device.
  • headset optical or acoustic VR device
  • US D 701 206 S1 shows such a VR device. If the user moves his head, his perspective on the virtual situation shown by means of the display device should follow his head movement. For this purpose, the spatial
  • a gyroscope is used to measure a rate of rotation about one or more axes.
  • the alignment can be determined by integrating the rate of rotation over time.
  • the direction of gravitational acceleration can be determined by means of an accelerometer as a reference. Since this is usually not exactly on the axis of rotation of the head, for example, a rotation of the head be determined about the longitudinal axis, when in fact takes place only a rotation about the vertical axis.
  • An object underlying the present invention is to provide an improved technique for determining the spatial orientation of a VR device.
  • a method for determining the spatial orientation of an object comprises steps of detecting a rotational speed of the object by means of a first sensor; determining an estimate of the spatial orientation of the object based on the detected rotational speed and a spatial orientation output value; detecting the acceleration a m eas acting on the object by means of a second sensor; determining the acceleration component caused by the rotational movement of the detected acceleration a m eas based on the detected rotational speed and a given distance of the second sensor from the rotational axis of the rotational movement; determining the acceleration component a gra v of the detected acceleration a m ea S caused by the gravitational attraction; and the correction of the estimate for the spatial orientation taking into account the acceleration component a g rav caused by the gravitational attraction.
  • a long-term drift or a measurement error of the first sensor can be compensated for in an improved manner by the described method.
  • the spatial orientation in space can thus be determined quickly and accurately.
  • the spatial orientation determined by the method can thereby be present with reduced latency.
  • the method is particularly suitable for use on a VR device that requires low-latency and accurate rotatory alignment information to produce a compelling VR effect.
  • the method is preferably iterated, in that, for each run of the method, the corrected estimate for the spatial orientation of the object of the preceding pass is used as the output value for the spatial output. direction is taken.
  • the method may be performed at a frequency of several 1000 Hz.
  • Determining the spatial alignment estimate may include integrating the detected rotational velocity over time.
  • numerical integration is preferred. This can be implemented particularly efficiently if the process is iterated at equal intervals.
  • the translational components are related to a circular path that the sensor can describe around the axis of rotation.
  • the translational components comprise a centripetal acceleration.
  • the translational components may also include a tangential acceleration.
  • at least one tangential acceleration component a ta n and at least one centripetal acceleration component a ce nt can be determined.
  • the tangential acceleration can occur in particular at the beginning and at the end of a rotational movement.
  • the centripetal acceleration may act during a rotational movement. Its amount may depend on the angular velocity of the rotation about the axis of rotation and its direction on a rotation axis and a rotation angle.
  • the direction of gravitational attraction can be determined.
  • the direction of the acceleration component a gra v can be considered.
  • a computer program product comprises program code means for carrying out the method described above when the computer program product runs on a processor or is stored on a computer-readable medium. Parts of the method can be carried out in particular by means of a processing device, which may comprise a programmable microcomputer or microcontroller. Advantages or features of the method, of the computer program product and of a device having such a processing device and of a system comprising the device can be correspondingly referred to one of the respective other objects.
  • An apparatus for determining the spatial orientation of an object comprises a first sensor for detecting the rotational speed of the object; a second sensor for detecting the acceleration a m eas acting on the object and a processing device.
  • the processing device is configured to determine an estimate of the spatial orientation of the object based on the detected rotational speed and a spatial orientation output value; to determine the acceleration component of the detected acceleration a m eas caused by the rotation movement based on a given distance of the second sensor from the rotation axis of the rotational movement; to determine the acceleration component a gra v of the detected acceleration a me as caused by gravitational attraction; and to correct the estimate for the spatial orientation, taking into account the acceleration component a g rav caused by the gravitational attraction.
  • the device can be generally used to determine the spatial orientation of any object.
  • exemplary objects include, for example, a hand tool, in particular an electric hand tool, a motor vehicle or a mobile computer.
  • the processing device is preferably configured to carry out at least parts of the method described above.
  • one of the sensors is comprised by a micromechanical system.
  • the micromechanical system also known as microelectromechanical system or microengineer
  • micromechanical system is usually constructed in semiconductor technology and uses components whose smallest dimensions are usually in the micrometer range.
  • such a sensor comprises a micromechanical test mass which is movably suspended, sensory ren for scanning the movement of the test mass and an evaluation circuit for determining the desired size on the basis of the determined movement.
  • Such sensors can be inexpensive. Measurement inaccuracies or a long-term drift of such a sensor can be better compensated by the described processing.
  • the first sensor can be a single-axis, two-axis or three-axis micromechanical gyrosensor.
  • the second sensor may be a single-axis, two-axis or three-axis micromechanical acceleration sensor.
  • a VR device comprises a fastening device for attachment to the head of a user, and an optical or acoustic output device and the device described above.
  • an adaptation of stimuli by means of the optical or acoustic output device to a specific spatial orientation can be carried out in an improved manner.
  • the user can thereby form an improved realistic impression of the information presented.
  • the fastening device is adjustable and a scanning device is provided to determine the distance of the second sensor from the rotational axis of rotation on the basis of a state of adjustment of the fastening device.
  • the method can be improved automatically adapted to different head sizes of different users. The accuracy of the particular spatial orientation can be increased thereby.
  • Figure 1 is a VR device for attachment to the head of a user.
  • Fig. 2 is a schematic representation of translational accelerations acting due to a rotational speed; and 3 illustrates a flowchart of a method for determining a spatial orientation.
  • FIG. 1 shows a VR device 100, which is attached to the head of a user 110 by means of a fastening device 105.
  • the VR device preferably comprises an optical output device 115 and / or an acoustic output device 120.
  • the output devices 15, 120 the user 110 can be presented with recipes that give him the impression of a generated, ie virtual
  • the stimuli should be controlled in dependence on a spatial orientation of the head of the user 1 10.
  • a device 125 is provided for this, which preferably has a first sensor 130 for determining a rotational speed and a second sensor 135 for determining an acceleration.
  • a processing device 140 and preferably an interface 145 for providing the specific spatial orientation are provided.
  • One or both sensors 130, 135 may be designed in particular as a micromechanical sensor.
  • the two sensors 130, 135 are designed to be integrated with one another by way of example.
  • a first approximation for the spatial orientation of VR device 100 or device 125 may be determined based solely on first sensor 130. However, since the first sensor 130 measures only accelerations, that is, changes in spatial orientation, initialization must occur.
  • the adjustment with the direction of the gravitational acceleration can also be used to compensate for measurement errors or a long-term drift of the first sensor 130.
  • this distance 155 may be estimated or fixed.
  • the user 110 may set the distance 155 itself.
  • the fastener 105 is adjustably configured to allow attachment of the VR device to different sized heads of various users 110.
  • the distance 155 may be a function of the size of the head of the user 110.
  • a scanner 160 may be provided to scan the adjustable fastener 105 to provide a measure of the size of the gap 155. The distance 155 is then preferably further processed by the processing device 140.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of accelerations acting on the second sensor 135 of FIG. 1 due to a rotational acceleration.
  • Fig. 2 is hinted the head of the person 110 and the VR device 100 can be seen in a plan view.
  • a three-dimensional Cartesian coordinate system is given.
  • the z-axis extends from the display plane towards the viewer and coincides with the vertical axis 150 of FIG. 1 by way of example.
  • the second sensor 135 moves approximately on a circular path 205 about the axis of rotation 150. If the rotational speed is changed, for example at the beginning or towards the end of the rotational movement, a tangential acceleration 210 acts In addition, a centripetal acceleration 215 pointing to the rotation axis 150 acts on the second sensor 135 as long as it is moved along the circular path 205.
  • the direction of gravitational acceleration which is correctly in the opposite z-direction in FIG. 2, may be deflected in the direction of the tangential acceleration 210 or the centripetal acceleration 215.
  • Amounts of the accelerations are dependent on the distance 155 between the second sensor 135 and the axis of rotation 150 and sizes of the rotational movement or rotational speed about the axis of rotation 150.
  • 3 shows a flow chart of a method 300 for determining a spatial orientation. The method 300 may be used in particular in connection with the apparatus 125 of FIG. 1. In this case, the device 125 does not necessarily have to be part of a VR device 100.
  • a rotational speed is scanned, for example, by means of the first sensor 130. From the sampled values, the spatial orientation of the first sensor 130 or of the system 125, 100 surrounding it is determined in a step 310. For this purpose, the specific rotational speed can be integrated in particular over time.
  • the acceleration of the second sensor 135 or of the system 125, 100 surrounding it is determined in a step 315, for example by means of the second sensor 135. If no rotation of the second sensor 135 takes place, then the direction of the sampled acceleration corresponds to the direction of the earth's gravitation. However, if the second sensor 135 is in rotation, translational forces must be determined to isolate the true direction of gravitational acceleration from the measurement.
  • the translatory components in particular the tangential acceleration 210 and the centripetal acceleration 215 (see FIG. 2) are preferably determined in a step 320.
  • the tangential acceleration can be expressed as follows:
  • the index k stands for a run of the method 300.
  • a preceding pass carries the index k-1 and a subsequent pass carries the index k + 1.
  • centripetal acceleration can be given as follows:
  • the time derivative of the angular velocity used in equation 1 is preferably determined as follows:
  • the direction of the gravitational acceleration can be determined on the basis of the sampled translational acceleration as follows:
  • the spatial orientation previously determined in step 310 may now be corrected in a step 330 by means of the determined gravitational acceleration.
  • the corrected spatial orientation is preferably provided in a step 335, for example by means of the interface 145.
  • the provisions mentioned are usually carried out in three dimensions.
  • the processing can be carried out in particular by means of linear algebra or vectors and matrices.
  • the method 300 may be implemented on a programmable microcomputer at a manageable expense.

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen der räumlichen Ausrichtung eines Objekts umfasst Schritte des Erfassens einer Rotationsgeschwindigkeit des Objekts mittels eines ersten Sensors; des Bestimmens eines Schätzwerts für die räumliche Ausrichtung des Objekts auf der Basis der erfassten Rotationsgeschwindigkeit und eines Ausgangswerts für die räumliche Ausrichtung; des Erfassens der auf das Objekt wirkenden Beschleunigung ameas mittels eines zweiten Sensors; des Bestimmens der durch die Rotationsbewegung verursachten Beschleunigungskomponente der erfassten Beschleunigung ameas auf der Basis der erfassten Rotationsgeschwindigkeit und eines gegebenen Abstandes des zweiten Sensors von der Drehachse der Rotationsbewegung; des Bestimmens der durch die Erdanziehung verursachten Beschleunigungskomponente agrav der erfassten Beschleunigung ameas; und der Korrektur des Schätzwerts für die räumliche Ausrichtung unter Berücksichtigung der durch die Erdanziehung verursachten Beschleunigungskomponente agrav.

Description

Beschreibung
Titel
Bestimmung einer räumlichen Ausrichtung Die Erfindung betrifft die Bestimmung einer räumlichen Ausrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Bestimmung der räumlichen Ausrichtung eines am Kopf eines Benutzers angebrachten VR-Geräts (VR: Virtuelle Realität; Virtual Reality). Stand der Technik
Zur Darbietung einer virtuellen Situation werden einem Benutzer sensorische Reize dargeboten, die möglichst konsistent zur virtuellen Situation passen. Dazu kann ein am Kopf des Benutzers angebrachtes, optisches oder akustisches VR- Gerät („Headset") vorgesehen sein, das beispielsweise eine optische Anzeigeeinrichtung und/oder eine akustische Ausgabeeinrichtung umfasst.
US D 701 206 S1 zeigt ein solches VR-Gerät. Bewegt der Benutzer seinen Kopf, so soll seine Perspektive auf die virtuelle Situation, die ihm mittels der Anzeige- einrichtung gezeigt wird, seiner Kopfbewegung folgen. Dazu soll die räumliche
Ausrichtung des VR-Geräts im Raum möglichst schnell und genau bestimmt werden. Üblicherweise wird dafür ein Gyroskop verwendet, das eine Drehrate um eine oder mehrere Achsen misst. Die Ausrichtung kann durch Integrieren der Drehrate über die Zeit bestimmt werden.
Allerdings unterliegen insbesondere kostengünstige Gyroskope einer gewissen Messungenauigkeit. Um Ungenauigkeiten oder Fehler zu kompensieren, kann als Referenz die Richtung der Erdbeschleunigung mittels eines Beschleunigungsmessers bestimmt werden. Da dieser üblicherweise nicht genau auf der Drehachse des Kopfes liegt, kann beispielsweise eine Verdrehung des Kopfes um die Längsachse bestimmt werden, wenn tatsächlich nur eine Drehung um die Hochachse erfolgt.
Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der An- gäbe einer verbesserten Technik zur Bestimmung der räumlichen Ausrichtung eines VR-Geräts.
Ein Verfahren zum Bestimmen der räumlichen Ausrichtung eines Objekts um- fasst Schritte des Erfassens einer Rotationsgeschwindigkeit des Objekts mittels eines ersten Sensors; des Bestimmens eines Schätzwerts für die räumliche Ausrichtung des Objekts auf der Basis der erfassten Rotationsgeschwindigkeit und eines Ausgangswerts für die räumliche Ausrichtung; des Erfassens der auf das Objekt wirkenden Beschleunigung ameas mittels eines zweiten Sensors; des Bestimmens der durch die Rotationsbewegung verursachten Beschleunigungskom- ponente der erfassten Beschleunigung ameas auf der Basis der erfassten Rotationsgeschwindigkeit und eines gegebenen Abstandes des zweiten Sensors von der Drehachse der Rotationsbewegung; des Bestimmens der durch die Erdanziehung verursachten Beschleunigungskomponente agrav der erfassten Beschleunigung ameaS; und der Korrektur des Schätzwerts für die räumliche Ausrich- tung unter Berücksichtigung der durch die Erdanziehung verursachten Beschleunigungskomponente agrav.
Durch das beschriebene Verfahren können insbesondere ein Langzeitdrift oder ein Messfehler des ersten Sensors verbessert kompensiert werden. Die räumli- che Ausrichtung im Raum kann dadurch rasch und genau bestimmt werden. Der
Einsatz eines Tiefpassfilters zur Glättung von Beschleunigungs-Messwerten kann vermieden werden. Die mittels des Verfahrens bestimmte räumliche Ausrichtung kann dadurch mit verringerter Latenzzeit vorliegen. Das Verfahren ist insbesondere zum Einsatz an einem VR-Gerät geeignet, das zum Hervorrufen eines überzeugenden VR-Effekts latenzarme und genaue Informationen über die rotatorische Ausrichtung erfordert.
Das Verfahren wird bevorzugt iterativ durchlaufen, indem bei jedem Durchlauf des Verfahrens der korrigierte Schätzwert für die räumliche Ausrichtung des Objekts des vorangegangenen Durchlaufs als Ausgangswert für die räumliche Aus- richtung genommen wird. Bei Einsatz in Verbindung mit einem VR-Gerät kann das Verfahren beispielsweise mit einer Frequenz von mehreren 1000 Hz ausgeführt werden. Durch das Rückkoppeln der bestimmten Ausrichtung in die Ausrichtungsbestimmung eines folgenden Durchlaufs kann insgesamt eine verbesserte Genauigkeit der bestimmten Ausrichtung erzielt werden.
Das Bestimmen des Schätzwerts für die räumliche Ausrichtung kann ein Integrieren der erfassten Rotationsgeschwindigkeit über die Zeit umfassen. Insbesondere ist eine numerische Integration bevorzugt. Dies kann besonders effizient implementiert werden, wenn das Verfahren in gleichen Zeitabständen iterativ durchlaufen wird.
Die translatorischen Komponenten sind auf eine Kreisbahn bezogen, die der Sensor um die Drehachse beschreiben kann. In einer Ausführungsform umfassen die translatorischen Komponenten eine zentripetale Beschleunigung. Die translatorischen Komponenten können auch eine tangentiale Beschleunigung umfassen. Im Rahmen der Bestimmung der durch die Rotationsbewegung verursachten Beschleunigungskomponente kann mindestens eine tangentiale Beschleunigungskomponente atan und mindestens eine Zentripetalbeschleuni- gungskomponente acent ermittelt werden. Die tangentiale Beschleunigung kann insbesondere zu Beginn und zum Ende einer Drehbewegung auftreten. Die Zentripetalbeschleunigung kann insbesondere während einer Drehbewegung wirken ihr Betrag kann von der Winkelgeschwindigkeit der Drehung um die Drehachse und ihre Richtung von einer Drehachse und einem Drehwinkel abhängig sein.
Im Rahmen der Bestimmung der durch die Erdanziehung verursachten Beschleunigungskomponente agrav kann die Richtung der Erdanziehung ermittelt werden. Bei der Korrektur des Schätzwerts für die räumliche Ausrichtung kann die Richtung der Beschleunigungskomponente agrav berücksichtigt werden.
Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist. Teile des Verfahrens können insbesondere mittels einer Verarbeitungseinrichtung durchgeführt werden, die einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mik- rocontroller umfassen kann. Vorteile oder Merkmale des Verfahrens, des Computerprogrammprodukts und einer Vorrichtung mit einer solchen Verarbeitungsein- richtung sowie eines die Vorrichtung umfassenden Systems können in entsprechender Weise auf einen der jeweils anderen Gegenstände bezogen werden.
Eine Vorrichtung zum Bestimmen der räumlichen Ausrichtung eines Objekts umfasst einen ersten Sensor zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeit des Ob- jekts; einen zweiten Sensor zum Erfassen der auf das Objekt wirkenden Beschleunigung ameas und eine Verarbeitungseinrichtung. Die Verarbeitungseinrichtung ist dazu eingerichtet, einen Schätzwert für die räumliche Ausrichtung des Objekts auf der Basis der erfassten Rotationsgeschwindigkeit und eines Ausgangswerts für die räumliche Ausrichtung zu bestimmen; die durch die Rotati- onsbewegung verursachte Beschleunigungskomponente der erfassten Beschleunigung ameas auf der Basis eines gegebenen Abstandes des zweiten Sensors von der Drehachse der Rotationsbewegung zu bestimmen; die durch die Erdanziehung verursachte Beschleunigungskomponente agrav der erfassten Beschleunigung ameas zu bestimmen; und den Schätzwert für die räumliche Ausrich- tung unter Berücksichtigung der durch die Erdanziehung verursachten Beschleunigungskomponente agrav zu korrigieren.
Die Vorrichtung kann allgemein zur Bestimmung der räumlichen Ausrichtung eines beliebigen Gegenstandes eingesetzt werden. Beispielhafte Gegenstände umfassen etwa ein Handwerkzeug, insbesondere ein elektrisches Handwerkzeug, ein Kraftfahrzeug oder einen mobilen Computer. Wie erwähnt ist die Verarbeitungseinrichtung bevorzugt dazu eingerichtet, wenigstens Teile des oben beschriebenen Verfahrens auszuführen. Es ist weiterhin bevorzugt, dass einer der Sensoren von einem mikromechanischen System umfasst ist. Das mikromechanische System (auch: mikroelektro- mechanisches System oder Mikromaschine) ist üblicherweise in Halbleitertechnologie aufgebaut und verwendet Komponenten, deren kleinste Abmessungen üblicherweise im Mikrometerbereich liegen. Üblicherweise umfasst ein derartiger Sensor eine mikromechanische Testmasse, die beweglich aufgehängt ist, Senso- ren zur Abtastung der Bewegung der Testmasse sowie eine Auswerteschaltung zur Bestimmung der gewünschten Größe auf der Basis der bestimmten Bewegung. Derartige Sensoren können kostengünstig sein. Messungenauigkeiten oder eine Langzeitdrift eines solchen Sensors können durch die beschriebene Verarbeitung besser kompensiert werden.
Beim ersten Sensor kann es sich um einen einachsigen, zweiachsigen oder dreiachsigen mikromechanischen Gyrosensor handeln. Beim zweiten Sensor kann es sich um einen einachsigen, zweiachsigen oder dreiachsigen mikromechani- sehen Beschleunigungssensor handeln.
Ein VR-Gerät umfasst eine Befestigungseinrichtung zur Befestigung am Kopf eines Benutzers, sowie eine optische oder akustische Ausgabevorrichtung und die oben beschriebene Vorrichtung. Dadurch kann eine Anpassung von Reizen mit- tels der optischen oder akustischen Ausgabevorrichtung an eine bestimmte räumliche Ausrichtung verbessert durchgeführt werden. Beim Benutzer kann sich dadurch ein verbessert realistischer Eindruck der dargebotenen Informationen bilden. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Befestigungseinrichtung verstellbar und es ist eine Abtasteinrichtung vorgesehen, um den Abstand des zweiten Sensors von der Rotationsdrehachse auf der Basis eines Verstellungszustands der Befestigungseinrichtung zu bestimmen. Dadurch kann das Verfahren verbessert automatisch auf unterschiedliche Kopfgrößen unterschiedlicher Be- nutzer angepasst werden. Die Genauigkeit der bestimmten räumlichen Ausrichtung kann dadurch gesteigert werden.
Kurze Beschreibung der Figuren Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein VR-Gerät zur Befestigung am Kopf eines Benutzers;
Fig. 2 eine schematische Darstellung von translatorischen Beschleunigungen, die aufgrund einer Rotationsgeschwindigkeit wirken; und Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer räumlichen Ausrichtung darstellt.
Fig. 1 zeigt ein VR-Gerät 100, das mittels einer Befestigungseinrichtung 105 am Kopf eines Benutzers 110 angebracht ist. Das VR-Gerät umfasst bevorzugt eine optische Ausgabeeinrichtung 115 und/oder eine akustische Ausgabeeinrichtung 120. Mittels der Ausgabeeinrichtungen 1 15, 120 können dem Benutzer 110 Rei- ze dargeboten werden, die ihm den Eindruck einer generierten, also virtuellen
Realität vermitteln. Dazu sollen die Reize in Abhängigkeit einer räumlichen Ausrichtung des Kopfs des Benutzers 1 10 gesteuert werden.
Am VR-Gerät 100 ist dafür eine Vorrichtung 125 vorgesehen, die bevorzugt einen ersten Sensor 130 zur Bestimmung einer Rotationsgeschwindigkeit und einen zweiten Sensor 135 zur Bestimmung einer Beschleunigung aufweist. Zusätzlich sind eine Verarbeitungseinrichtung 140 sowie bevorzugt eine Schnittstelle 145 zur Bereitstellung der bestimmten räumlichen Ausrichtung vorgesehen. Einer oder beide Sensoren 130, 135 können insbesondere als mikromechanischer Sensor ausgeführt sein. In der dargestellten Ausführungsform sind die beiden Sensoren 130, 135 beispielhaft miteinander integriert ausgeführt. Eine erste Näherung für die räumliche Ausrichtung des VR-Geräts 100 beziehungsweise der Vorrichtung 125 kann alleine auf der Basis des ersten Sensors 130 bestimmt werden. Da der erste Sensor 130 jedoch lediglich Beschleunigungen misst, also Veränderung der räumlichen Ausrichtung, muss eine Initialisierung stattfinden. Diese kann beispielsweise bezüglich der Richtung der Erdbeschleunigung erfolgen, die mittels des zweiten Sensors 135 bestimmt werden kann, wenn sich die Vorrichtung 125 in Ruhe befindet. Der Abgleich mit der Richtung der Erdbeschleunigung kann auch dazu verwendet werden, Messfehler oder eine Langzeitdrift des ersten Sensors 130 zu kompensieren.
Dreht der Benutzer 110 jedoch seinen Kopf, beispielsweise um eine Hochachse 150, so können auf den zweiten Sensor 135 Kräfte wirken, die die Bestimmung der Richtung der Erdbeschleunigung zeitweise verfälschen. Es wird vorgeschla- gen, diese Verfälschung zu kompensieren. Dazu kann es hilfreich sein, einen Abstand 155 zwischen dem zweiten Sensor 135 und der Drehachse 150 zu kennen. In einer Ausführungsform kann dieser Abstand 155 geschätzt oder fest vorgegeben werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Benutzer 110 den Abstand 155 selbst vorgeben. In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist die Befestigungseinrichtung 105 verstellbar ausgeführt, um das Anbringen des VR-Geräts an unterschiedlich großen Köpfen verschiedener Benutzer 110 zu ermöglichen. Der Abstand 155 kann eine Funktion der Größe des Kopfes des Benutzers 1 10 sein. Eine Abtasteinrichtung 160 kann vorgesehen sein, um die verstellbare Befestigungseinrichtung 105 abzutasten und so ein Maß für die Größe des Abstands 155 bereitzustellen. Der Abstand 155 wird dann bevorzugt mittels der Verarbeitungseinrichtung 140 weiterverarbeitet.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von Beschleunigungen, die aufgrund einer Rotationsbeschleunigung auf den zweiten Sensor 135 von Fig. 1 wirken. In Fig. 2 ist andeutungsweise der Kopf der Person 110 und das VR-Gerät 100 in einer Draufsicht zu sehen. Zur Orientierung ist ein dreidimensionales kartesisches Koordinatensystem angegeben. Die z-Achse verläuft aus der Darstellungsebene auf den Betrachter zu und fällt beispielhaft mit der Hochachse 150 von Fig. 1 zusammen.
Dreht der Benutzer 1 10 seinen Kopf um die Hochachse 150, so bewegt sich der zweite Sensor 135 annähernd auf einer Kreisbahn 205 um die Drehachse 150. Wird die Drehgeschwindigkeit verändert, beispielsweise am Anfang oder gegen Ende der Drehbewegung, so wirkt eine tangentiale Beschleunigung 210 auf den zweiten Sensor 135. Außerdem wirkt eine auf die Drehachse 150 weisende Zentripetalbeschleunigung 215 auf den zweiten Sensor 135, solange dieser entlang der Kreisbahn 205 bewegt wird. Während des Drehungsvorgangs des Kopfes des Benutzers 110 kann die Richtung der Erdbeschleunigung, die korrekterweise in Fig. 2 in entgegengesetzter z-Richtung verläuft, in Richtung der tangentialen Beschleunigung 210 oder der Zentripetalbeschleunigung 215 abgefälscht werden. Beträge der Beschleunigungen sind vom Abstand 155 zwischen dem zweiten Sensor 135 und der Drehachse 150 sowie Größen der Drehbewegung beziehungsweise Drehgeschwindigkeit um die Drehachse 150 abhängig. Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Bestimmen einer räumlichen Ausrichtung. Das Verfahren 300 kann insbesondere in Verbindung mit der Vorrichtung 125 von Fig. 1 verwendet werden. Dabei muss die Vorrichtung 125 nicht notwendigerweise Teil eines VR-Geräts 100 sein.
In einem Schritt 305 wird eine Rotationsgeschwindigkeit beispielsweise mittels des ersten Sensors 130 abgetastet. Aus den abgetasteten Werten wird in einem Schritt 310 die räumliche Ausrichtung des ersten Sensors 130 oder des ihn umgebenden Systems 125, 100 bestimmt. Dazu kann die bestimmte Rotationsge- schwindigkeit insbesondere über die Zeit aufintegriert werden.
Bevorzugt zeitnah oder zeitgleich zum Schritt 305 wird in einem Schritt 315 beispielsweise mittels des zweiten Sensors 135 die Beschleunigung des zweiten Sensors 135 beziehungsweise des ihn umgebenden Systems 125, 100 bestimmt. Findet keine Drehung des zweiten Sensors 135 statt, so entspricht die Richtung der abgetasteten Beschleunigung der Richtung der Erdgravitation. Befindet sich der zweite Sensor 135 jedoch in einer Drehung, so müssen translatorische Kräfte bestimmt werden, um die tatsächliche Richtung der Erdbeschleunigung aus dem Messwert zu isolieren.
Dazu werden bevorzugt in einem Schritt 320 die translatorischen Komponenten, insbesondere die tangentiale Beschleunigung 210 und die Zentripetalbeschleunigung 215 (vgl. Fig. 2) bestimmt. Die tangentiale Beschleunigung kann wie folgt ausgedrückt werden:
(Gleichung 1)
Figure imgf000010_0001
mit
a, tan tangentiale Beschleunigung
ω Winkelgeschwindigkeit
Zeit
r Abstand 155
Dabei steht der Index k für einen Durchlauf des Verfahrens 300. Ein vorangehender Durchlauf trägt den Index k - 1 und ein folgender Durchlauf den Index k + 1. ln entsprechender Weise kann die Zentripetalbeschleunigung wie folgt angegeben werden:
(Gleichung 2) mit:
Qcent Zentripetalbeschleunigung
Die in Gleichung 1 verwendete zeitliche Ableitung der Winkelgeschwindigkeit wird bevorzugt wie folgt bestimmt:
(Gleichung 3)
Figure imgf000011_0001
mit:
Δ Zeitintervall zwischen Schritten k und (k+1)
In Kenntnis der translatorischen Komponenten 210, 215 kann dann in einem Schritt 325 die Richtung der Erdbeschleunigung auf der Basis der abgetasteten Translationsbeschleunigung wie folgt bestimmt werden:
(Gleichung 4)
Figure imgf000011_0002
mit:
a m, eas gemessene translatorische (lineare) Beschleunigung
Die zuvor im Schritt 310 bestimmte räumliche Ausrichtung kann nun in einem Schritt 330 mittels der bestimmten Erdbeschleunigung korrigiert werden. Die korrigierte räumliche Ausrichtung wird bevorzugt in einem Schritt 335 bereitgestellt, beispielsweise mittels der Schnittstelle 145.
Die genannten Bestimmungen werden üblicherweise dreidimensional durchge- führt. Die Verarbeitung kann insbesondere mittels linearer Algebra beziehungsweise Vektoren und Matrizen erfolgen. Das Verfahren 300 kann beispielsweise mit überschaubarem Aufwand auf einem programmierbaren Mikrocomputer implementiert sein.

Claims

Verfahren (300) zum Bestimmen der räumlichen Ausrichtung eines Objekts, wobei das Verfahren (300) folgende Schritte umfasst:
- Erfassen (305) einer Rotationsgeschwindigkeit des Objekts mittels eines ersten Sensors (130);
- Bestimmen (310) eines Schätzwerts für die räumliche Ausrichtung des Objekts auf der Basis der erfassten Rotationsgeschwindigkeit und eines Ausgangswerts für die räumliche Ausrichtung;
- Erfassen (315) der auf das Objekt wirkenden Beschleunigung (ameas) mittels eines zweiten Sensors (135);
- Bestimmen (320) der durch die Rotationsbewegung verursachten Beschleunigungskomponente (atan+aCent) der erfassten Beschleunigung ameas auf der Basis der erfassten Rotationsgeschwindigkeit und eines gegebenen Abstandes (155) des zweiten Sensors (135) von der Drehachse der Rotationsbewegung;
- Bestimmen (325) der durch die Erdanziehung verursachten Beschleunigungskomponente (agrav) der erfassten Beschleunigung (ameas); und
- Korrektur (330) des Schätzwerts für die räumliche Ausrichtung unter Berücksichtigung der durch die Erdanziehung verursachten Beschleunigungskomponente (agrav).
Verfahren (300) nach Anspruch 1 , wobei das Verfahren (300) iterativ durchlaufen wird, indem bei jedem Durchlauf des Verfahrens der korrigierte Schätzwert für die räumliche Ausrichtung des Objekts des vorangegangenen Durchlaufs (335) als Ausgangswert für die räumliche Ausrichtung genommen wird.
3. Verfahren (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bestimmen (310) eines Schätzwerts für die räumliche Ausrichtung ein Integrieren der erfassten Ro- tationsgeschwindigkeit über die Zeit umfasst.
4. Verfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Rahmen der Bestimmung (320) der durch die Rotationsbewegung verursachten Beschleunigungskomponente (atan+aCent) mindestens eine tangentiale Beschleunigungskomponente (atan) (210) und mindestens eine Zentripetalbe- schleunigungskomponente (acent) (21 5) ermittelt werden.
5. Verfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Rahmen der Bestimmung (325) der durch die Erdanziehung verursachten Beschleunigungskomponente (agrav) die Richtung der Erdanziehung ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei der Korrektur (330) des Schätzwerts für die räumliche Ausrichtung die Richtung der Beschleunigungskomponente (agrav) berücksichtigt wird.
7. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung eines Verfahrens (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung (140) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert ist.
8. Vorrichtung (215) zum Bestimmen der räumlichen Ausrichtung eines Objekts, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst:
- einen ersten Sensor (1 30) zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeit des Objekts;
- einen zweiten Sensor (1 35) zum Erfassen der auf das Objekt wirkenden Beschleunigung (ameas) und;
- eine Verarbeitungseinrichtung (140), die dazu eingerichtet ist:
einen Schätzwert für die räumliche Ausrichtung des Objekts auf der Basis der erfassten Rotationsgeschwindigkeit und eines Ausgangswerts für die räumliche Ausrichtung zu bestimmen;
die durch die Rotationsbewegung verursachte Beschleunigungskomponente (atan+aCent) der erfassten Beschleunigung ameas auf der Basis eines gegebenen Abstandes (155) des zweiten Sensors (135) von der Drehachse der Rotationsbewegung zu bestimmen;
die durch die Erdanziehung verursachte Beschleunigungskomponente (agrav) der erfassten Beschleunigung (ameas) zu bestimmen; und
den Schätzwert für die räumliche Ausrichtung unter Berücksichtigung der durch die Erdanziehung verursachten Beschleunigungskomponente (agrav) zu korrigieren.
Vorrichtung (215) nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem ersten Sensor (130) um einen einachsigen, zweiachsigen oder dreiachsigen mikromechanischen Gyrosensor handelt.
Vorrichtung (215) nach Anspruch 8 oder 9, wobei es sich bei dem zweiten Sensor (135) um einen einachsigen, zweiachsigen oder dreiachsigen mikromechanischen Beschleunigungssensor handelt.
VR-Gerät (100), umfassend eine Befestigungseinrichtung (105) zur Befestigung am Kopf eines Benutzers (110), sowie eine optische (115) oder akustische Ausgabevorrichtung (120) und eine Vorrichtung (125) nach einem der Ansprüche 8 bis 10.
VR-Gerät (100) nach Anspruch 1 1 , wobei die Befestigungseinrichtung (105) verstellbar ist und eine Abtasteinrichtung (160) zur Bestimmung des Ab- stands des zweiten Sensors (130) von einer Drehachse auf der Basis eines Verstellungszustands der Befestigungseinrichtung (105) vorgesehen ist.
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