數(shù)據(jù)套筒姿態(tài)測量技術(shù)的研究

數(shù)據(jù)套筒姿態(tài)測量技術(shù)的研究

1溫度載荷的顯示隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的算法系統(tǒng)要求對方的操作進行高精度捕捉和恢復(fù)。利用數(shù)據(jù)手套上的傳感器系統(tǒng),可以跟蹤操作者靈活多變的手勢及空間方位。將操作者的手勢和方向數(shù)據(jù)輸入計算機,可以很好地還原手部運動情況。數(shù)據(jù)手套作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要部件之一,起著舉足輕重的作用。如虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等人機交互系統(tǒng),要求輔助的手部動作偵測設(shè)備能夠?qū)崟r、精確地捕捉和還原操作人員的手部動作變化過程。因此,數(shù)據(jù)手套的研發(fā)和設(shè)計符合人類的認知習慣,極大地提高了人機交互的自然性和高效性,同時也使計算機設(shè)備能夠處理更加復(fù)雜的任務(wù)。2肢體動作訓(xùn)練所設(shè)計的硬件平臺電路用于測量傳感器數(shù)據(jù),并發(fā)送至上位機進行處理,還原手部動作。電路采用飛利浦半導(dǎo)體設(shè)計的LPC2148ARM7芯片作為中央處理器,適用于要求高性能和低功耗結(jié)合的嵌入式應(yīng)用中,嵌入式硬件平臺結(jié)構(gòu)分為四個部分:電源模塊、傳感器模塊、主控制器模塊和通信模塊,如圖1所示。2.1電源轉(zhuǎn)換電路模塊數(shù)據(jù)手套采用DC5v電源或電池供電模式,電源模塊實現(xiàn)把外部電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的穩(wěn)定的3.3V電源,具有寬輸入電壓范圍,可實現(xiàn)把3.3~12V的外部輸入電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的3.3V電壓。2.2彎曲傳感器檢測傳感器模塊用于偵測手部動作,包括彎曲傳感器和組合MEMS姿態(tài)傳感器(三軸加速度傳感器+三軸磁阻傳感器),彎曲傳感器偵測指關(guān)節(jié)的彎曲動作過程,為模擬量輸出,需通過AD采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進行處理;組合MEMS姿態(tài)傳感器偵測手掌的傾斜、俯仰、轉(zhuǎn)角情況,唯一確定手部的空中姿態(tài),其數(shù)據(jù)以數(shù)字量形式輸出到處理器。2.3阿姆斯特程序控制系統(tǒng)模塊ARM中央處理器控制模塊主要完成系統(tǒng)初始化、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)封包、數(shù)據(jù)通信,硬件看門狗恢復(fù)系統(tǒng)災(zāi)難性錯誤。2.4外部非易失性參數(shù)的讀取系統(tǒng)NVROM掉電保護實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)的掉電保護,采用外部非易失性CMOSE2PROM存儲系統(tǒng)重要參數(shù),上電時系統(tǒng)從NVROM中讀取系統(tǒng)參數(shù)進行初始動作。系統(tǒng)上電后可通過數(shù)據(jù)通信口對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置。2.5通信模塊通信模塊的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)手套與應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)交換,接收上層應(yīng)用軟件的命令包,分析命令包格式,把系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到通信端口。3傳感器接口管理圖2為數(shù)據(jù)手套底層軟件流程圖,流程圖的核心內(nèi)容是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集對分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)中的不同傳感器進行采樣、讀取數(shù)據(jù),由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含多個分布式安裝、不同類型的傳感器,傳感器與中央處理器的接口以及數(shù)據(jù)采集協(xié)議均有所差異,因此在讀取不同傳感器數(shù)據(jù)時需要妥善處理傳感器的接口管理,避免產(chǎn)生傳感器之間的數(shù)據(jù)串擾。數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容是根據(jù)不同傳感器的特定算法,把數(shù)據(jù)采集過程采集的傳感器數(shù)據(jù)進行分析計算,得出每個傳感器的三維空間的姿態(tài)數(shù)據(jù),通過結(jié)合分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器各自的三維空間姿態(tài)數(shù)據(jù),實現(xiàn)手部動作的還原。4mems和彎曲傳感器的布置傳感器模塊由彎曲傳感器和組合MEMS傳感器組成,數(shù)據(jù)手套在各個手指中間關(guān)節(jié)布置一個彎曲傳感器,手背布置組合MEMS傳感器。彎曲傳感器測量手部指關(guān)節(jié)的彎曲角度,而組合MEMS傳感器測量手掌所呈現(xiàn)的姿態(tài)角。傳感器分布如圖3所示,其中編號1,2,3,4,5為彎曲傳感器,編號6為組合MEMS傳感器。4.1彎曲傳感器檢測彎曲傳感器采用壓電材料做成,隨著彎曲角度的變化,壓電材料的電阻值也跟著改變,把彎曲傳感器與精密電阻進行串連分壓,通過高精度的AD轉(zhuǎn)換采樣把彎曲傳感器上的電壓變化采集下來,對應(yīng)到實際的彎曲角度變化,找到彎曲角度-電阻(電壓)的變化關(guān)系算法曲線,通過該算法可以實時得到彎曲角度值,如圖4所示。R1為參考精密電阻,R2為彎曲傳感器等效電阻,阻值隨彎曲程度不同而改變,圖5為所要測量的指關(guān)節(jié)彎曲角度。設(shè)彎曲傳感器彎曲角度為Y,彎曲傳感器彎曲電阻變化率為X,則彎曲特性曲線具有如下關(guān)系:式中a0~a5為彎曲特性系數(shù),可通過曲線擬合的方式計算得到。4.2水平面的傾角與轉(zhuǎn)動角所測量的手部姿態(tài)角包括俯仰角θ、傾斜角γ、轉(zhuǎn)動角β。俯仰角指載體的前后軸線與水平面的夾角;傾斜角指載體的對稱面(包含前后軸線)與包含前后軸線的鉛垂面之間的夾角;轉(zhuǎn)動角指載體前后軸線在水平面的投影所轉(zhuǎn)過的角度。俯仰角的范圍為-90~+90°,傾斜角的范圍為-180~+180°,轉(zhuǎn)動角的范圍為-180~+180°。4.2.1軸加速度測量三軸加速度傳感器能夠測量重力加速度以及自身運動所產(chǎn)生的加速度。圖6為加速度傳感器X/Y/Z三個測量軸的分布情況,靜態(tài)或勻速時X/Y/Z三個軸測量的是重力加速度在三軸上的分量,運動時X/Y/Z三個軸測量到的是運動加速度與重力加速度在三軸上的分量的合成,在用三軸加速度傳感器測量傾斜、俯仰角時,需假設(shè)三軸所測量的加速度為重力加速分量,根據(jù)三軸加速的分量與重力之間的關(guān)系,可通過三角函數(shù)關(guān)系計算姿態(tài)角。根據(jù)以上角度的定義,三軸加速度傳感器可測量俯仰角(θ)和傾斜角(γ),如圖7所示,公式如下:式中:Gx,Gy,Gz分別為加速度計X/Y/Z三個軸的加速度數(shù)據(jù)。由于傾斜角的范圍為-180~+180°,而arctan函數(shù)的輸出范圍為-90~+90°,所以需要對傾斜角進行矯正:完整的手部姿態(tài)由三個角唯一確定,但由于三軸加速度傳感器自身的測量限制,只能偵測俯仰角和傾斜角的變化,對于轉(zhuǎn)動角,則無法測量,因此需要三軸磁阻傳感器進行測量。4.2.2其他活動角度磁阻傳感器在地磁導(dǎo)航、數(shù)字智能羅盤等方面具有優(yōu)越性。本文利用磁阻傳感器測量地磁場的原理,間接計算數(shù)據(jù)手掌的轉(zhuǎn)動角,測量原理如圖8所示。三軸磁阻傳感器的結(jié)構(gòu)與三軸加速度傳感器類似,只是三軸磁阻傳感器測量的是地球磁場強度在三個軸上的分量,根據(jù)分量的大小,可計算載體前后軸線在水平面的投影與地理北向的夾角,也可稱為航向角。假設(shè)Bx,By為磁阻傳感器在水平面測得的磁場強度,則航向角準計算如下式所示:當三軸磁阻傳感器水平放置時,則可在電路初始化的時候,記錄初始時刻航向角準0,再用t時刻計算的航向角準t減去初始時刻的航向角,就可得到當前時刻的手掌相對初始時刻轉(zhuǎn)動過的角度βt,如下式:由于手部運動往往不是在嚴格的水平面上進行,而是復(fù)雜多變的空間姿態(tài),針對這種情況,則需要加速度傳感器測得的傾斜角、俯仰角進行補償,將三軸磁阻傳感器測得的磁場強度轉(zhuǎn)化到水平面上,如式(8)、式(9),間接計算航向角,從而也可得到手部轉(zhuǎn)動角,至此,唯一確定手部姿態(tài)的三個角度就全部計算得到。要對磁阻傳感器進行傾角補償,首先要計算出傾斜角θ和俯仰角γ,則:式中:Mx,My為磁阻傳感器X/Y軸在水平面投影方向上的磁場強度,代入式(6)和式(7)即可算得航向角和轉(zhuǎn)動角。5全傳感器+嵌入式硬件平臺為了檢驗本文所述方法的可行性與效果,我們開發(fā)了基于VC++與OpenGL的圖形界面軟件,進行手勢還原。通過上述傳感器對角度的測量,再經(jīng)由嵌入式硬件平臺對傳感器進行數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行數(shù)據(jù)處理,轉(zhuǎn)換成代表手部動作的一組數(shù)據(jù),通過這組數(shù)據(jù)控制3D模擬手勢,達到實時還原手部動作的目的。圖9、圖10、圖11和圖12為實驗中測得的手勢、手語效果圖。6運動姿態(tài)的測量通過嵌入式硬件電路設(shè)計,底層軟件設(shè)計,傳感器研究及相應(yīng)算法研究,實驗結(jié)果表明所設(shè)計的基于彎曲與MEMS姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)手套不僅能夠測量指關(guān)節(jié)的彎曲變化,而且能夠偵測手掌的空間運動姿態(tài),較為完整地還原了手部動作。但是,本文設(shè)計的數(shù)據(jù)手套也存在不足,在使用三軸加速傳感器