用於控制電子受控設備的手勢識別系統的製作方法
2023-05-31 21:05:26
本發明一般地涉及運動控制輸入設備，更具體地，涉及用於控制具有電子受控運動的受電設備的移動的手持運動控制設備。
背景技術：
來自和的現有手持運動控制器被眾所周知為虛擬實境輸入裝置，包括使用多個傳感器來檢測手指和手的精細移動的虛擬實境手套。然而，vr輸入設備必須包括偏航旋轉以模擬用戶的手或身體在二維電視屏幕上的虛擬移動。因此，它們不能被「重新利用」來控制三維空間中的物理對象(wii是美國華盛頓州雷德蒙德市的美國任天堂股份有限公司(nintendoofamerica,inc)的註冊商標；xbox是華盛頓州雷德蒙德市的微軟公司(microsoftcorporation)的註冊商標；playstation是日本東京的kabushikikaishasonycomputerentertainmenttasonycomputerentertainmentinc.的註冊商標。
來自leapmotion的流行的運動控制器補充了滑鼠和鍵盤輸入，並且消除了物理接觸計算機輸入設備的需要，但是它要求用戶的手和手指緊鄰(非穿戴式)運動跟蹤器，使得可以檢測到運動。它未實現用戶在附近自由移動來控制物理運行對象。
簡而言之，市場上和已公開的技術中的已知遠程控制器通過手指和手掌移動來控制。所需要的是免提(handsfree)運動控制器，其不需要手指或手掌移動來在三維空間(例如，左、右、向前和向後的方向)中控制移動對象。本發明提供這樣的解決方案，
上述專利反映了本發明人知道的現有技術的現狀。這些專利的提及和討論旨在幫助免除申請人在公開可能與本發明的權利要求的審查相關的信息方面公認的坦白義務。然而，恭敬地表示上述專利中沒有一個單獨地或視為組合時公開、教導、建議、示出或以其他方式呈現明顯的本文描述的和要求保護的本發明。
技術實現要素：
本發明是一種用於遠程控制受控設備的手勢運動控制系統。在其最重要的方面，本發明的遠程控制系統包括併入到腕帶中的感測設備，諸如手錶或手鐲。感測設備包括傳感器，所述傳感器提供與用戶的手腕分別關於x、y和z軸的俯仰、翻滾和偏航移動有關的傳感器信號輸入。該系統接下來包括具有漂移檢測器的連續反饋迴路，以接收傳感器信號輸入以及旋轉矩陣輸入，然後使用傳感器信號輸入來計算數值誤差。它還包括：比例積分控制器，用於接收來自漂移檢測器的計算的數值誤差輸出，並將控制輸出輸出到漂移調節器；以及至少一個陀螺儀，其向漂移調節器提供輸入以校正儀器漂移，並提供輸出以進行運動學和歸一化計算，並輸出旋轉矩陣。反饋迴路採用旋轉矩陣的上界和下界，以消除傳感器設備輸入中由於俯仰、翻滾或偏航中的突然角度變化引起的嚴重異常反饋數值誤差。
附圖說明
當考慮到以下詳細描述時，本發明將被更好地理解，並且除上述內容之外的目的將變得顯而易見。這樣的描述參考附圖，其中：
圖1是示出併入到腕帶或手鐲中的本發明的手勢識別設備以及在手勢識別設備控制下的設備的高度示意圖。
圖2是圖示手勢識別設備的三個旋轉元素(即，翻滾、俯仰和偏航)的示意圖，三個旋轉元素與前臂和手的移動(諸如如旋前、旋後、升高(例如屈曲)和降低(例如伸展))相對應並被識別為通過所述前臂和手的移動來實現；
圖3圖示了涉及關於y軸的俯仰旋轉以控制電子受控設備的前進和後退方向的手勢；
圖4圖示了涉及關於x軸的翻滾旋轉以控制電子設備的左右方向的手勢控制；以及
圖5是圖示來自各種運動傳感器的輸入和用於校正系統運動算法中的反饋數值誤差的裝置的高度示意性框圖。
具體實施方式
在其最重要的方面，本發明的手勢運動控制系統包括併入到和/或嵌入在手鐲或腕帶(諸如手錶10，諸如圖1中示意性地示出的手錶或腕帶)內的感測設備。(如本文所使用的，術語「腕帶」應被認為是指包括腕帶、手錶、手鐲等。)腕帶中的運動傳感器檢測用戶的手旋轉(翻滾和俯仰)以控制物理對象12，諸如被遠程控制的轎車、卡車、飛機、船、直升機、多旋翼(四軸飛行器)、機器人等，的移動的方向，或者替選地，服從於涉及來自兩個或三個正交傳感器的輸入變化的遠程控制輸入的房間或任何其它物理裝置的環境條件。
如圖2所示，旋轉具有三個元素(俯仰14，翻滾16和偏航18)。偏航旋轉跟隨用戶的身體轉動移動或任何改變控制器的基本方向(羅盤朝向)的手和手臂的獨立移動。不使用偏航旋轉，手鐲使用戶能夠自由移動、跑步和轉動，以及僅使用手勢來跟隨和控制物理移動對象。
再次參考圖1，手勢識別設備嵌入在腕帶或手鐲內，用於以下幾個應用：對於機器人控制(轎車、直升機、四軸飛碟(quadrone))：輕敲控制器一次打開控制器(通電)20；左轉包括逆時針扭轉手(旋前)20；右轉需要順時針扭轉手(旋後)22；向前運動需要向下移動手24；向後運動需要向上移動手26；以及輕敲控制器一次接通控制器電源，再次輕敲一次，然後將其關閉28。使用另一次輕敲將會將其再次打開。
房間環境控制在功能上是可比的。光亮度/暗度和溫度增加和減少可以被映射到與手勢識別程序相對應。例如，增加房間光和使光變暗可以分別涉及旋後/旋前；溫度升高和降低可以被類似地編程，或者可以分別涉及手腕的升高和降低。
接下來參考圖2，再次看到在三維軸上存在三個旋轉角度，其包括俯仰14、翻滾16和偏航18。本發明的手勢識別設備使用俯仰14和翻滾16進行手勢控制。偏航旋轉18跟隨用戶的手和身體兩者轉動移動。因此，偏航不能僅通過手的移動來控制。偏航可以用於左或右方向控制，諸如來自或的運動控制器，因為對於虛擬遊戲，用戶的身體總是面向在一個方向上的視覺顯示。然而，在物理世界中，為控制物理對象，在跟隨移動對象的同時，用戶幾乎總是轉動他或她的整個身體。這使得身體定向(關於垂直解剖軸，向右和向左、或順時針和逆時針轉動)作為偏航輸入不適合用戶在現實世界中控制物理對象的左右移動。
現在參考圖3，本發明的手勢控制設備使用關於y軸30的旋轉(俯仰)來控制在控制下的設備的向前和向後方向。將手和手腕上下移動等效於關於y軸旋轉。
保持在初始(大體水平)的前臂角度32處以定義初始的大致水平方向的平面並且定義空閒或停止狀態，將手和手腕從水平方向降低34(例如，80度)(手向下角度)將提供向前控制輸入。進一步減小該角度36(將手從水平定向的軸進一步向下)轉化為增加向前的速度。
返回到水平方向32將使被遠程控制的設備返回到空閒，停止狀態。
然後，升高手和手腕38，並且因此將控制器向後傾斜向用戶，相對於水平方向的向上的角度的狀態(例如，100度至180度)將提供控制輸入以使得在控制下的設備的相反方向。增加向後傾斜度40(手和手腕從水平方向進一步升高)轉換為增加反向(向後)速度。
接下來參考圖4，本發明的手勢控制裝置使用關於x軸50的旋轉來控制在控制下的設備的左右方向移動。可以用從垂直方向52大約80到100度定向的手掌(在54示出的對應的手定向)來建立初始空閒右/左方向控制條件。然後，順時針扭轉手56或逆時針扭轉手58等效於關於x軸旋轉。使用初始的「翻滾」位置，順時針扭轉手產生右轉輸入。降低度數60(使手進一步順時針扭轉，從而離開初始空閒定向更遠)導致右轉速度輸入的增加。相反，關於x軸的逆時針旋轉58導致左轉控制輸入，並且進一步的逆時針旋轉62增加左轉速度。
接下來參考圖5，本發明提供的進一步的改進源於運動控制算法中反饋數值誤差的上界和下界的使用。寫入由系統微控制器執行的運動控制算法以用於飛機控制，並被修改為禁止在每個時間步長內的俯仰、翻滾和偏航輸入中的嚴重異常(突然角度變化)。在現實世界的控制條件下，在每個時間步長內，在所有方向，手的移動可以非常快速和突然的。這樣的突然的移動將扭轉正交維數並生成反饋數值誤差中的大量級。因此，本發明應用一種算法，其通過使旋轉矩陣算法不再在每個時間步長內生成正確的俯仰、翻滾和偏航角來調節任何不切實際的大數值誤差。使用上界和下界，數值誤差被加蓋以穩定連續反饋迴路條件70。
使用諸如磁力計72、加速度計74和一個或多個陀螺儀76(優選mems陀螺儀)的傳感器來建立上電時的初始過程、傾斜、定向和斜度條件。通過漂移檢測算法84檢測並分析來自磁力計的偏航傳感器輸入78以及來自加速度計的俯仰和翻滾傳感器輸入80、以及旋轉矩陣輸入信號82(下面將更全面地描述)，該漂移檢測算法84輸出數值誤差86到比例積分控制器88。在每個採樣周期，比例積分控制器採取數值誤差(漂移檢測)輸出，並使用已建立的pi算法來根據施加在控制器上的上限和下限設定點來計算誤差值。控制器輸出90是用於儀器漂移調節92的輸入(例如，對於根據溫度變化的偏移和靈敏度漂移)，漂移調節還將陀螺儀的信號或多個信號用作輸入，所述陀螺儀甚至可以檢測手勢運動控制設備關於x、y和z這三個軸中的任何一個的小的運動。然後，控制器輸出信號和陀螺儀信號，然後傳遞到運動學和歸一化算法94以描述受控設備運動。輸出是旋轉矩陣96，其中概率分布根據施加在算法上的上和下矩陣極限在正交性規則下對齊。旋轉矩陣信號返回到連續反饋迴路，並且還用作設備定向以控制到受控設備98的輸出信號，以用於受控設備在設備特定的可接受的控制參數內平滑和連續的操作。在正交規則100下，連續迴路反饋算法使用旋轉矩陣的上界和下界來消除嚴重異常的數值誤差，使得矩陣的一行或一列中的誤差不會過分和不利地影響矩陣中的其他表達。
前面的公開足以使本領域的技術人員能夠實踐本發明，而無需過多的實驗。本公開進一步提供了實施本發明人現在考慮的發明的最佳方式。
雖然本文詳細地示出和公開的具體裝置和方法完全能夠實現目的並提供本文所述的優點，但是應當理解，僅僅是本發明的當前優選實施例的說明，並且沒有旨在限制除了如所附權利要求中所定義的之外的本文所示的結構或設計的細節。因此，本發明的適當範圍應僅由所附權利要求的最廣泛解釋來確定，以便包括所有這些修改以及與附圖中所示和說明書中描述的那些等價的所有關係。