姿態測量裝置自動校正的方法及系統與流程

2023-12-11 23:16:27 4

本發明涉及姿態測量領域，更具體地說，涉及一種姿態測量裝置自動校正的方法及系統。

背景技術：

姿態測量一般採用姿態測量裝置來測量角度信息，姿態測量裝置的類型很多，利用三軸地磁解耦和三軸加速度計，受外力加速度影響很大，在運動/振動等環境中，輸出方向角誤差較大,此外地磁傳感器有缺點，它的絕對參照物是地磁場的磁力線,地磁的特點是使用範圍大，但強度較低，約零點幾高斯，非常容易受到其它磁體的幹擾。陀螺儀輸出角速度，是瞬時量，角速度在姿態平衡上是不能直接使用，需要角速度與時間積分計算角度，得到的角度變化量與初始角度相加，就得到目標角度，其中積分時間Dt越小，輸出角度越精確,但陀螺儀的原理決定了它的測量基準是自身，並沒有系統外的絕對參照物，加上Dt是不可能無限小,所以積分的累積誤差會隨著時間流逝迅速增加，最終導致輸出角度與實際不符。

技術實現要素：

為了解決當前姿態測量裝置累計誤差影響角度測量的缺陷，本發明提供一種可以消除累計誤差的姿態測量裝置自動校正的方法及系統。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：提供一種姿態測量裝置自動校正的方法，包括發射模塊、接收模塊、處理模塊，所述發射模塊包括姿態測量裝置、重力檢測裝置和發射裝置，所述發射裝置可以發射雷射面，所述接收模塊包括高頻光感應裝置和低頻光感應裝置，所述姿態測量裝置通過以下步驟進行自動校正：

S1：所述發射裝置發射雷射面，所述接收模塊處於待機狀態；

S2：所述接收模塊根據所述高頻光感應裝置和所述低頻光感應裝置傳遞的信號判斷是否傳遞校正信息到所述處理模塊；

S3：所述處理模塊根據所述接收模塊傳遞的信息對所述姿態測量裝置進行校正。

優選地，所述接收模塊包括高低頻接收模組，所述高低頻接收模組包括前面板，所述高頻光感應裝置和所述低頻光感應裝置固定在所述前面板。

優選地，所述發射模塊包括高頻面雷射發射器和低頻面雷射發射器，所述高頻光感應裝置可以檢測到所述高頻面雷射發射器發射的雷射，所述低頻光感應裝置可以檢測到所述低頻面雷射發射器發射的雷射。

優選地，所述接收模塊根據所述光感應裝置傳遞的信號通過以下步驟判斷校正信息：

S2.1以所述高低頻面為基準建立直角坐標系，z軸與地面垂直，正方向朝上；；x軸與所述前面板垂直，以光線垂直入射所述前面板的光線方向為x軸負方向；y軸與所述前面板平行，正方向滿足坐標系xyz成右手系；

S2.2設置所述姿態測量裝置的x軸、z軸零點位置，當所述發射模塊發射的雷射照射在所述前面板上時，所述高頻光感應裝置和所述低頻光感應裝置同時響應成功則x軸、z軸角度為零；

S2.3當所述高頻光感應裝置和所述低頻光感應裝置響應成功時，所述接收模塊向所述處理模塊傳遞調零信息。

優選地，所述發射模塊包括發射端嵌入式控制模塊，所述發射端嵌入式控制模塊可以接收所述重力檢測裝置和所述姿態測量裝置傳輸的數據，並將接收到的數據傳遞到所述處理模塊。

優選地，所述發射端嵌入式控制模塊在接收到所述姿態測量裝置和所述重力檢測裝置發來的數據信息後，將數據信息打上時間戳後發送到所述處理模塊進行處理。

優選地，當所述處理模塊接收到所述接收模塊傳遞來的校正信號後，所述處理模塊核對接收到校正信號的時刻t2，並且檢測接收到的帶時間戳的數據信息，當所述處理模塊檢測到帶時間戳的數據信息的時間戳顯示的時間點晚於或等於t2時刻時，所述處理模塊按照校正信息對所述姿態測量裝置的角度信息進行校正，校正完成後，所述運算處理器在再次接收到所述接收模塊傳遞來的校正信號之前不再監測數據信息的時間戳。

提供一種姿態測量裝置自動校正系統，所述發射模塊包括發射端無線傳輸模塊，所述處理模塊包括處理端無線傳輸模塊，所述發射端無線傳輸模塊和所述處理端無線傳輸模塊之間可以通過無線傳輸的方式傳遞信息。

優選地，所述發射模塊為手柄，所述手柄包括高頻面雷射發射器和低頻面雷射發射器，所述高頻面雷射發射器發射的雷射面和所述低頻面雷射發射器發射的雷射面相互平行。

優選地，所述接收模塊包括高低頻接收陣列，所述高低頻接收陣列包括至少兩個高低頻感應模組。

與現有技術相比，本發明利用發射裝置發射雷射面而接收模塊接收不同特徵光信號的方式，調整x軸、z軸角度零點的位置，降低了姿態測量裝置的誤差累積帶來的影響，減少了使用者的不適應感並增加了沉浸感，對於體感操作和虛擬實境有較大的意義。相對於手動重置姿態檢測裝置的零點，本發明姿態測量裝置自動校正的方法和系統調整更加自然和精確，一方面防止了使用者憑「感覺」調零帶來的誤差，另一方面使使用者在使用過程中自然和不自覺地調零，增加了沉浸感，也減少了刻意調整的生硬，增加了遊戲性，提升了體驗效果。利用高頻光感應裝置和低頻光感應裝置的設置，保證了光線必須滿足一定的入射條件才可以使高頻光感應裝置和低頻光感應裝置產生對應的響應，實現了通過光感應來判斷發射模塊姿態的方法，使姿態的調整可以通過光感應來實現，也使本發明的姿態調零得以實現。重力檢測裝置可以檢測發射模塊對於重力方向的偏轉角度，配合光感應調零的方法實現了姿態測量裝置的x軸、y軸、z軸三軸的角度調整，使姿態測量裝置在x軸、y軸、z軸的誤差積累都可以被校正。通過設置x軸、z軸的零點位置來對應雷射面的照射角度，從而對應發射模塊的姿態的方法，建立了較為簡便的姿態識別規則，更方便使用光感應校正姿態。手柄的發射埠被設置為狹長矩形狀，可以保證出射的雷射形成比較薄的雷射面而不會發散，保證了光感應調零的實現。設置高低頻接收陣列可以保證發射模塊有更多的機會來校正姿態測量裝置。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發明姿態測量裝置自動校正的系統模塊示意圖；

圖2是以手柄為示例的發射模塊示意圖；

圖3是以高低頻接收模組為示例的接收裝置示意圖；

圖4是高低頻接收模組調零x軸、z軸示意圖；

圖5是高低頻接收模組調零x軸、z軸雷射光線示意圖；

圖6是高低頻接收模組不發出調零指令示意圖之一；

圖7是高低頻接收模組不發出調零指令雷射光線示意圖之一；

圖8是高低頻接收模組不發出調零指令示意圖之二；

圖9是高低頻接收模組不發出調零指令雷射光線示意圖之二；

圖10是以高低頻接收陣列為示例的接收裝置示意圖；

圖11是本發明姿態測量裝置自動校正的系統工作流程示意圖。

具體實施方式

為了解決當前姿態測量裝置累計誤差影響角度測量的缺陷，本發明提供一種可以消除累計誤差的姿態測量裝置自動校正的方法及系統。

為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。

請參閱圖1，本發明姿態測量裝置自動校正系統包括接收模塊1、發射模塊2和處理模塊3。接收模塊1包括接收裝置11、接收端嵌入式控制模塊13，接收裝置11和接收端嵌入式控制模塊13電性連接。發射模塊2包括發射裝置21、發射端嵌入式控制模塊22、姿態測量裝置23、電源模塊24、重力檢測裝置25、操作裝置27和發射端無線傳輸模塊29，其中，發射端嵌入式控制模塊22與電源模塊24電性連接，發射端嵌入式控制模塊22與電源模塊24分別與發射裝置21、姿態測量裝置23、重力檢測裝置25、操作裝置27和發射端無線傳輸模塊29電性連接。處理模塊3包括處理端無線傳輸模塊31和運算處理器33，處理端無線傳輸模塊31和運算處理器33電性連接，運算處理器33與接收端嵌入式控制模塊13電性連接，處理端無線傳輸模塊31可以與發射端無線傳輸模塊29通過無線連接的方式傳遞信息。接收裝置11主要用於接收發射裝置21發射的光線，並將接收到的光線信息傳遞到接收端嵌入式控制模塊13進行處理，接收端嵌入式控制模塊13可以將其處理的結果發送到運算處理器33進行進一步處理。姿態測量裝置23可以測量發射模塊2在空間的姿態和角度信息，重力檢測裝置25可以測量發射模塊2與重力方向的夾角信息和夾角方向，操作裝置27可以由使用者操作並發出命令信息，姿態測量裝置23和重力檢測裝置25測得的相關數據以及操作裝置27發出的命令信息可以通過電信號的方式傳遞到發射端嵌入式控制模塊22，發射端嵌入式控制模塊22可以將上述信息通過發射端無線傳輸模塊29傳遞到處理端無線傳輸模塊31，處理端無線傳輸模塊31可以將接收到的數據通過電信號的方式傳遞到運算處理器33進行處理。

請參閱圖2，圖2示例性地示出了以手柄201為第一實施例的發射模塊2，在該實施例中，手柄201的頂端為圓形平面2011，手柄201的幾何軸心L1通過圓形平面2011的圓心並垂直於圓形平面2011，發射裝置21包括高頻面雷射發射器211和低頻面雷射發射器212，高頻面雷射發射器211包括高頻發射埠2113和高頻雷射源2115，低頻面雷射發射器212包括低頻發射埠2123和低頻雷射源2125，高頻發射埠2113和低頻發射埠2123均為矩形狹縫狀，矩形狹縫的矩形邊中，較長的矩形邊與均手柄201的幾何軸心L1相平行，高頻雷射源2115發射的雷射可以通過狹縫狀的高頻發射埠2113發射到手柄201的外部空間中，形成扇形雷射面，低頻雷射源2125發射的雷射也可以通過狹縫狀的低頻發射埠2123發射到手柄201的外部空間中，形成扇形雷射面，兩扇形雷射面相互平行，當手柄201的幾何軸心L1垂直於地面時，兩扇形雷射面均與地面相垂直。在手柄201上，高頻雷射源2115和低頻雷射源2125之間的距離為d。

請參閱圖3，圖3示例性地示出了以高低頻接收模組101為第一實施例的接收裝置11，在該實施例中，高低頻接收模組101包括前面板1011、高頻光感應裝置1013、低頻光感應裝置1015，高低頻接收模組101固定設置，高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015固定在前面板1011，高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015並列設置，其連線與地面平行，高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015之間的距離為d，與高頻雷射源2115和低頻雷射源2125之間的距離相等。高頻光感應裝置1013可以檢測到高頻雷射源2115發射的雷射信號，低頻光感應裝置1015可以檢測到低頻雷射源2125發射的雷射信號。若且唯若雷射光線滿足以下三個條件時，高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015可以同時產生響應：首先，高頻雷射源2115和低頻雷射源2125發射的雷射面垂直於前面板1011；其次，高頻雷射源2115和低頻雷射源2125發射的雷射面垂直於地面；再次，高頻雷射源2115發射的雷射入射高頻光感應裝置1013。

請參閱圖4—圖5，圖4—圖5示例性地示出了高低頻接收模組101調零姿態測量裝置23的一種情況。我們以高低頻接收模組101的前面板1011為基準建立直角坐標系，z軸與地面垂直，正方向朝上；x軸與前面板1011垂直，以光線垂直入射前面板1011的光線方向為x軸負方向；y軸與前面板1011平行，正方向滿足坐標系xyz成右手系。在手柄201中設置有姿態測量裝置23，姿態測量裝置23在測量的過程中會累計誤差，使測量結果與真實結果之間的誤差越來越大。姿態測量裝置23會根據手柄201的姿態變化，提供手柄201在x軸、y軸，和z軸的角度變化。手柄201進一步包括重力檢測裝置25，重力檢測裝置25可以實時檢測手柄201的y軸角度的變化，並實時校正姿態測量裝置23測量的y軸測量結果。我們可以事先設置手柄201的x軸、y軸、z軸角度零點的位置。作為其中的一種設置方式，當手柄201的幾何軸心L1垂直於地面且手柄201的頂端朝上時，我們記手柄201的x軸、y軸角度為零；當手柄201發射的雷射面垂直於前面板1011且光線傳播方向朝向x軸負方向時，我們記手柄201的z軸角度為0。手柄201由使用者握持，在使用過程中，當手柄201的幾何軸心L1垂直於地面且手柄201發射的雷射面垂直入射前面板1011時，高頻雷射線2126打在前面板1011上並通過高頻光感應裝置1013，同時，低頻雷射線2116打在前面板1011上並通過低頻光感應裝置1015，高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015感應到雷射光線產生響應，並發送電信號到接收端嵌入式控制模塊13，接收端嵌入式控制模塊13傳遞信號至運算處理器33，並重置手柄x軸、z軸的角度數據為零，同時重力檢測裝置25檢測y軸角度並校準手柄的y軸角度數據。由於這種校準是在使用者使用過程中無意中發生的，這樣，在不刻意的操作過程中和使用者毫無察覺的情況下就可以完成對手柄x軸、y軸和z軸的校準，防止誤差持續積累導致測量誤差過大，同時大幅增強了使用者的沉浸感。這種調零方式同時避免了其他光學調零方式常常出現的無法識別鏡像雷射的缺陷，即手柄201的幾何軸心L1垂直於地面且手柄201的頂端朝下與頂端朝上往往形成同樣雷射圖案的情況，本實施例通過設置高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015防止了鏡像雷射影響測量結果的情況。

請參見圖6—圖7，圖6示例性地示出了高低頻接收模組101不發出調零指令示意圖之一，當手柄201的幾何軸心L1不垂直於地面且手柄201發射的雷射面垂直入射前面板1011時，此時由於幾何關係，打在前面板1011上的高頻雷射線2126和低頻雷射線2116之間水平方向連線所形成的兩個交點的距離大於d，此時高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015最多只能有一個產生感應，此時，高低頻接收模組101不發送信號到接收端嵌入式控制模塊13，高低頻接收模組101不發出調零指令。

請參閱圖8—圖9，圖,8示例性地示出了高低頻接收模組101不發出調零指令示意圖之二，當手柄201的幾何軸心L1垂直於地面且手柄201發射的雷射面不垂直入射前面板1011時，此時由於幾何關係，打在前面板1011上的高頻雷射線2126和低頻雷射線2116之間的距離大於d，此時高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015最多只能有一個產生感應，此時，高低頻接收模組101不發送信號到接收端嵌入式控制模塊13，高低頻接收模組101不發出調零指令。

請參閱圖10，圖10示例性地示出了以高低頻接收陣列102為第二實施例的接收裝置11，高低頻接收陣列102包括至少兩個高低頻感應模組1023，至少兩個高低頻感應模組1023均設置在陣列前面板1021上，每組高低頻感應模組1023可以獨立地向接收端嵌入式控制模塊13發送電信號。當其中一組高低頻接收模組101中的高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015同時探測到雷射信號時，該組高低頻接收模塊101向接收端嵌入式控制模塊13發送響應成功的信號。並列設置高低頻接收模組101可以保證處理模塊3有更多的機會來校正姿態測量裝置23。

請參閱圖11，當本發明姿態測量裝置自動校正系統開始工作時，發射模塊2發射雷射面，同時接收模塊1處於待機狀態。接收裝置11的高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015實時監控雷射反應，當接收裝置11中高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015同時產生響應時，說明此時手柄201的幾何軸心L1垂直於地面且手柄201發射的雷射面垂直於前面板1011，此時，接收端嵌入式控制模塊13將調零x軸、z軸的信息發送到處理模塊3，處理模塊3隨即調零x軸、z軸數據；當接收裝置11中高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015沒有同時產生響應時，接收端嵌入式控制模塊13不發送調零信息到處理模塊3。

由於發射模塊2向處理模塊3傳遞姿態及重力檢測數據需要耗費一定的時間，該時間我們稱為延遲時間t，處理模塊3在t0時刻接收到的發射模塊2傳遞的姿態及重力數據實際上對應的是(t0-t)時刻發射模塊2的姿態信息。如果處理模塊3在t1時刻接收到接收模塊1發送的校正信息後立刻校正姿態測量裝置23的角度信息，會造成處理模塊3實際調整的是(t1-t)時刻的姿態測量裝置23的角度信息，使(t1-t)到t1時刻之間的姿態測量裝置23的誤差被累積下來，影響姿態測量裝置23的精確性和設備整體的體驗。作為本發明的另一個實施例，發射端嵌入式控制模塊22在接收到姿態測量裝置23和重力檢測裝置25發來的數據信息後，將數據信息打上時間戳後發送到發射端無線傳輸模塊29，發射端無線傳輸模塊29將打上時間戳的數據信息傳遞到處理端無線傳輸模塊31，並由處理端無線傳輸模塊31傳遞至運算處理器33進行處理。當運算處理器33接收到接收模塊1傳遞來的校正信號後，運算處理器33核對接收到校正信號的時刻t2，並且檢測接收到的帶時間戳的數據信息。當運算處理器33檢測到數據信息的時間戳顯示的時間點晚於或等於t2時刻時，運算處理器33立刻按照校正信息對姿態測量裝置23的角度信息進行校正，校正完成後運算處理器33在再次接收到接收模塊1傳遞來的校正信號之前不再監測數據信息的時間戳。本實施例通過延遲校正防止了由於延遲時間造成的數據誤差的積累，大幅提高了設備的精確度和可用性。

與現有技術相比，本發明利用發射裝置21發射雷射面而接收模塊1接收不同特徵光信號的方式，調整x軸、z軸角度零點的位置，降低了姿態測量裝置23的誤差累積帶來的影響，減少了使用者的不適應感並增加了沉浸感，對於體感操作和虛擬實境有較大的意義。相對於手動重置姿態檢測裝置23的零點，本發明姿態測量裝置23自動校正的方法和系統調整更加自然和精確，一方面防止了使用者憑「感覺」調零帶來的誤差，另一方面使使用者在使用過程中自然和不自覺地調零，增加了沉浸感，也減少了刻意調整的生硬，增加了遊戲性，提升了體驗效果。利用高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015的設置，保證了光線必須滿足一定的入射條件才可以使高頻光感應裝置1013和低頻光感應裝置1015產生對應的響應，實現了通過光感應來判斷發射模塊2姿態的方法，使姿態的調整可以通過光感應來實現，也使本發明的姿態調零得以實現。重力檢測裝置25可以檢測發射模塊2對於重力方向的偏轉角度，配合光感應調零的方法實現了姿態測量裝置23的x軸、y軸、z軸三軸的角度調整，使姿態測量裝置23在x軸、y軸、z軸的誤差積累都可以被校正。通過設置x軸、z軸的零點位置來對應雷射面的照射角度，從而對應發射模塊2的姿態的方法，建立了較為簡便的姿態識別規則，更方便使用光感應校正姿態。手柄201的發射埠2113被設置為狹長矩形狀，可以保證出射的雷射形成比較薄的雷射面而不會發散，保證了光感應調零的實現。設置高低頻接收陣列101可以保證發射模塊2有更多的機會來校正姿態測量裝置23。

上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。