数据套筒姿态测量技术的研究

数据套筒姿态测量技术的研究

1温度载荷的显示随着现代计算机技术的快速发展，越来越多的算法系统要求对方的操作进行高精度捕捉和恢复。利用数据手套上的传感器系统,可以跟踪操作者灵活多变的手势及空间方位。将操作者的手势和方向数据输入计算机,可以很好地还原手部运动情况。数据手套作为虚拟现实技术主要部件之一,起着举足轻重的作用。如虚拟现实系统等人机交互系统,要求辅助的手部动作侦测设备能够实时、精确地捕捉和还原操作人员的手部动作变化过程。因此,数据手套的研发和设计符合人类的认知习惯,极大地提高了人机交互的自然性和高效性,同时也使计算机设备能够处理更加复杂的任务。2肢体动作训练所设计的硬件平台电路用于测量传感器数据,并发送至上位机进行处理,还原手部动作。电路采用飞利浦半导体设计的LPC2148ARM7芯片作为中央处理器,适用于要求高性能和低功耗结合的嵌入式应用中,嵌入式硬件平台结构分为四个部分:电源模块、传感器模块、主控制器模块和通信模块,如图1所示。2.1电源转换电路模块数据手套采用DC5v电源或电池供电模式,电源模块实现把外部电源转换成系统所需的稳定的3.3V电源,具有宽输入电压范围,可实现把3.3~12V的外部输入电压转换成稳定的3.3V电压。2.2弯曲传感器检测传感器模块用于侦测手部动作,包括弯曲传感器和组合MEMS姿态传感器(三轴加速度传感器+三轴磁阻传感器),弯曲传感器侦测指关节的弯曲动作过程,为模拟量输出,需通过AD采集转换成数字量进行处理;组合MEMS姿态传感器侦测手掌的倾斜、俯仰、转角情况,唯一确定手部的空中姿态,其数据以数字量形式输出到处理器。2.3阿姆斯特程序控制系统模块ARM中央处理器控制模块主要完成系统初始化、传感器数据采集、数据处理、数据封包、数据通信,硬件看门狗恢复系统灾难性错误。2.4外部非易失性参数的读取系统NVROM掉电保护实现系统设置参数的掉电保护,采用外部非易失性CMOSE2PROM存储系统重要参数,上电时系统从NVROM中读取系统参数进行初始动作。系统上电后可通过数据通信口对系统参数进行设置。2.5通信模块通信模块的功能是实现数据手套与应用软件的数据交换,接收上层应用软件的命令包,分析命令包格式,把系统处理后的数据发送到通信端口。3传感器接口管理图2为数据手套底层软件流程图,流程图的核心内容是数据采集、数据处理。数据采集对分布式传感器网络中的不同传感器进行采样、读取数据,由于传感器网络中包含多个分布式安装、不同类型的传感器,传感器与中央处理器的接口以及数据采集协议均有所差异,因此在读取不同传感器数据时需要妥善处理传感器的接口管理,避免产生传感器之间的数据串扰。数据处理的内容是根据不同传感器的特定算法,把数据采集过程采集的传感器数据进行分析计算,得出每个传感器的三维空间的姿态数据,通过结合分布式传感器网络中所有的传感器各自的三维空间姿态数据,实现手部动作的还原。4mems和弯曲传感器的布置传感器模块由弯曲传感器和组合MEMS传感器组成,数据手套在各个手指中间关节布置一个弯曲传感器,手背布置组合MEMS传感器。弯曲传感器测量手部指关节的弯曲角度,而组合MEMS传感器测量手掌所呈现的姿态角。传感器分布如图3所示,其中编号1,2,3,4,5为弯曲传感器,编号6为组合MEMS传感器。4.1弯曲传感器检测弯曲传感器采用压电材料做成,随着弯曲角度的变化,压电材料的电阻值也跟着改变,把弯曲传感器与精密电阻进行串连分压,通过高精度的AD转换采样把弯曲传感器上的电压变化采集下来,对应到实际的弯曲角度变化,找到弯曲角度-电阻(电压)的变化关系算法曲线,通过该算法可以实时得到弯曲角度值,如图4所示。R1为参考精密电阻,R2为弯曲传感器等效电阻,阻值随弯曲程度不同而改变,图5为所要测量的指关节弯曲角度。设弯曲传感器弯曲角度为Y,弯曲传感器弯曲电阻变化率为X,则弯曲特性曲线具有如下关系:式中a0~a5为弯曲特性系数,可通过曲线拟合的方式计算得到。4.2水平面的倾角与转动角所测量的手部姿态角包括俯仰角θ、倾斜角γ、转动角β。俯仰角指载体的前后轴线与水平面的夹角;倾斜角指载体的对称面(包含前后轴线)与包含前后轴线的铅垂面之间的夹角;转动角指载体前后轴线在水平面的投影所转过的角度。俯仰角的范围为-90~+90°,倾斜角的范围为-180~+180°,转动角的范围为-180~+180°。4.2.1轴加速度测量三轴加速度传感器能够测量重力加速度以及自身运动所产生的加速度。图6为加速度传感器X/Y/Z三个测量轴的分布情况,静态或匀速时X/Y/Z三个轴测量的是重力加速度在三轴上的分量,运动时X/Y/Z三个轴测量到的是运动加速度与重力加速度在三轴上的分量的合成,在用三轴加速度传感器测量倾斜、俯仰角时,需假设三轴所测量的加速度为重力加速分量,根据三轴加速的分量与重力之间的关系,可通过三角函数关系计算姿态角。根据以上角度的定义,三轴加速度传感器可测量俯仰角(θ)和倾斜角(γ),如图7所示,公式如下:式中:Gx,Gy,Gz分别为加速度计X/Y/Z三个轴的加速度数据。由于倾斜角的范围为-180~+180°,而arctan函数的输出范围为-90~+90°,所以需要对倾斜角进行矫正:完整的手部姿态由三个角唯一确定,但由于三轴加速度传感器自身的测量限制,只能侦测俯仰角和倾斜角的变化,对于转动角,则无法测量,因此需要三轴磁阻传感器进行测量。4.2.2其他活动角度磁阻传感器在地磁导航、数字智能罗盘等方面具有优越性。本文利用磁阻传感器测量地磁场的原理,间接计算数据手掌的转动角,测量原理如图8所示。三轴磁阻传感器的结构与三轴加速度传感器类似,只是三轴磁阻传感器测量的是地球磁场强度在三个轴上的分量,根据分量的大小,可计算载体前后轴线在水平面的投影与地理北向的夹角,也可称为航向角。假设Bx,By为磁阻传感器在水平面测得的磁场强度,则航向角准计算如下式所示:当三轴磁阻传感器水平放置时,则可在电路初始化的时候,记录初始时刻航向角准0,再用t时刻计算的航向角准t减去初始时刻的航向角,就可得到当前时刻的手掌相对初始时刻转动过的角度βt,如下式:由于手部运动往往不是在严格的水平面上进行,而是复杂多变的空间姿态,针对这种情况,则需要加速度传感器测得的倾斜角、俯仰角进行补偿,将三轴磁阻传感器测得的磁场强度转化到水平面上,如式(8)、式(9),间接计算航向角,从而也可得到手部转动角,至此,唯一确定手部姿态的三个角度就全部计算得到。要对磁阻传感器进行倾角补偿,首先要计算出倾斜角θ和俯仰角γ,则:式中:Mx,My为磁阻传感器X/Y轴在水平面投影方向上的磁场强度,代入式(6)和式(7)即可算得航向角和转动角。5全传感器+嵌入式硬件平台为了检验本文所述方法的可行性与效果,我们开发了基于VC++与OpenGL的图形界面软件,进行手势还原。通过上述传感器对角度的测量,再经由嵌入式硬件平台对传感器进行数据采集,并将数据传输至上位机进行数据处理,转换成代表手部动作的一组数据,通过这组数据控制3D模拟手势,达到实时还原手部动作的目的。图9、图10、图11和图12为实验中测得的手势、手语效果图。6运动姿态的测量通过嵌入式硬件电路设计,底层软件设计,传感器研究及相应算法研究,实验结果表明所设计的基于弯曲与MEMS姿态传感器数据手套不仅能够测量指关节的弯曲变化,而且能够侦测手掌的空间运动姿态,较为完整地还原了手部动作。但是,本文设计的数据手套也存在不足,在使用三轴加速传感器