一種三維動態定位設備的製作方法

2023-07-17 01:26:56 2

專利名稱：一種三維動態定位設備的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於運動感知獲取技術領域以及人機互動技術領域，涉及運動信息獲
取、處理、分析和人機互動應用的設備、系統。
背景技術：
目前人機互動有兩大類， 一類是滑鼠，它廣泛應用於計算機系統，與鍵盤一起，實 現人和計算機的交互。另一類以電視機遙控器為代表，它不具備滑鼠的功能。本實用新型 一方面在三維空間中類似三維滑鼠，可以幫助使用者方便地定位；另一方面，它可以感知和 估計使用者移動交互裝置的位移、速度、加速度、方向和力度，這在模擬訓練、遊戲等方面有
重要應用。 三維交互裝置和系統涉及兩種技術。 一是檢測人機互動裝置或持該器件的人體特 定部位的運動，二是將檢測到的運動信息經過處理、分析和轉換，達到交互應用的需要。目 前，這兩個方面的技術可綜述如下 中國專利200710169770. 9 "智能型高爾夫推桿"，利用兩組光電收發傳感器分別 接收從地面反射來的雷射光束的時間差，計算得出擊球時的平均速度，即可判斷球能否進 洞提供依據；還設有三維加速度傳感器採集X、 Y、 Z三個方向上的加速度，以及從推桿擊中 球到離開球整個過程中加速度的變化情況，最後計算出X、 Y、 Z三個方向上的受力。美國 專利7， 234， 351， "Electronic measurement of the motion ofa moving bodyof sports equipment"也是將加速度傳感器和陀螺儀嵌入高爾夫球桿、網球拍等運動器械，測量運動 信息，用於訓練。與此類似，美國專利用微型加速度傳感器、陀螺儀和磁力計來測量運動物 體的三維位置和方位信息。然而，以上專利雖然談到了使用微型加速度傳感器、陀螺儀和磁 力計來測量運動物體在三維空間的運動信息。他們都沒有提到，加速度傳感器測出的加速 度並非僅是運動物體的加速度，其中重力加速度分量很大，不能將重力加速度從所測加速 度中分離出來，傳感器坐標系的三個方向上的受力沒有多大意義；而且從加速度到位置信 息要經過兩次積分，這兩個積分常數成了未知數。同樣，陀螺儀測量的是角速度，到角度也 要經過一次積分。再者，微型傳感器數據噪聲極大，根本無法直接使用。也就是說，沒有進 一步的傳感器數據的處理和分析方法，這些專利中的發明是無法實現的。 在交互應用方面，中國專利200610127869. 8，"基於運動體動作的智能交互裝置 及動作位置的檢測方法"，運動檢測方法基於運動體佩戴項圈，通過安裝在項圈內的角度 傳感器產生的彎曲形變，判斷運動體的運動位置；中國專利200610083199. 4 "基於立體視 覺的遊戲控制系統及方法"，使用標定的攝像機獲得使用者相關部位的圖像，用姿態特徵 時空信息及其相關性進行區域選擇和特徵提取，獲得三維位置和姿態信息並映射為遊戲 控制命令，由系統和遊戲控制接口，實現模擬遊戲人物和場景漫遊的實時控制功能。美國 專利7， 262， 760， "3D pointing devices withorientation compensation and improved usability",是一種方法，它將測得的交互裝置的運動和位置數據，從交互裝置的坐標轉換 到交互對象的坐標，從而為交互滑鼠輸入數據。實際上，從測量出運動數據到交互在很大程度上取決於應用。上述三個專利中的交互方法也各不相同。 隨著各種三維技術的應用，特別是訓練、遊戲、製造、醫療、虛擬實境、混合現實等 的發展，對三維交互提出了越來越高的要求。人們希望有一種三維的人機互動。其一，它應 能準確地獲取交互裝置的三維方位和位置信息；其二，為了訓練、遊戲等的需要，我們要求 的不僅是位置信息，還要求三維運動(速度、加速度、軌跡)以及力度信息。其三，這種人機 交互裝置應不受距離限制，它可以如通常的滑鼠，與計算機近距離使用，也可以如電視機遙 控器，甚至更遠距離與所控制機器交互。其四，我們要求一種交互裝置能夠多用，滿足訓練、 遊戲、製造、醫療、虛擬實境、混合現實等的需要。這就是本實用新型的三維人機互動裝置和 系統的目的。

實用新型內容為了解決現有技術存在的人機互動裝置本身運動的非線性和微型傳感器測量的 非線性問題和磁場受周圍環境影響問題，本實用新型的目的是提供一種三維動態定位設 備。
為達成所述目的，本實用新型提供三維動態定位設備，包括 三維人機互動裝置在自身的多個微型傳感器坐標系中獲取並輸出三維人機互動 裝置的三維運動狀態的多種傳感數據； 三維人機互動數據處理和融合裝置與三維人機互動裝置連接，接收三維人機互動 裝置所採集的多傳感數據，並對多個微型傳感器所測具有噪聲和動態變化的多傳感數據進 行融合，獲得三維人機互動裝置在用戶坐標系中的運動狀態和位置參數，即位置、速度、加 速度、方位、角速度的精確估值，推導運動軌跡、作用力和方向；並轉換成應用坐標系中的交 互參數； 應用和控制對象通過應用接口與三維人機互動數據處理和融合裝置連接，接收運 動狀態和位置參數的精確估值以及由此推出的交互參數，用於控制應用和控制對象；通過 應用接口向三維人機互動數據處理和融合裝置發送指令信息。 優選地，三維人機互動裝置，包括多個微型傳感器、中央控制處理單元、無線通信 晶片、以及一組功能鍵，其中 多個微型傳感器提取三維人機互動裝置本身的三維位置和運動數據，並經過轉換 放大處理後輸出三維位置和運動模擬數據； 中央控制處理單元的各路模數轉換器或數字入口分別連接到多個微型傳感器中 所有傳感器數據端，中央控制處理單元按設定的採樣率接收並對多個微型傳感器輸出的三 維位置和運動的模擬數據進行控制和處理，獲得多個微型傳感器的採樣數據存放於中央控 制處理單元的寄存器中，並將這些採樣數據貼上時序標籤和功能鍵指令一起打包並輸出採 樣數據和功能鍵指令；中央控制處理單元接收、解釋和執行來自三維人機互動數據處理和 融合裝置所在計算機的命令； 無線通信晶片與中央控制處理單元連接，接收並輸出中央控制處理單元的功能鍵 指令和採樣數據；無線通信晶片建立三維人機互動裝置與三維人機互動數據處理和融合裝 置所在計算機或計算設備的通信，完成計算機或計算設備之間的數據和命令的傳送； 功能鍵與中央控制處理單元連接，功能鍵的信息通過中斷，由中央控制處理單元將之打包傳送到三維人機互動數據處理和融合裝置。 優選地，所述微型傳感器為多種微型傳感器，多種微型傳感器為至少一個或一個
以上的三維加速度傳感器、三維陀螺儀、三維磁力計、超聲波測距儀、雷射測距儀。 優選地，所述功能鍵是初始化鍵或重置鍵、選擇鍵和功能顯示鍵。 優選地，三維人機互動數據處理和融合裝置包括數據預處理模塊、方位估計單元、
速度和位移估計模塊、運動軌跡和力度分析模塊、交互參數產生和功能鍵管理模塊、以及應
用接口，其中 數據預處理模塊分別與三維人機互動裝置連接，數據預處理模塊分別接收三維人 機交互裝置的微型傳感器測量該微型傳感器坐標系中的加速度、角速度和磁場測量數據， 經去噪聲和完整性檢測處理，生成並輸出傳感器坐標系中的加速度、角速度和磁場測量的 數據流； 方位估計單元與數據預處理模塊連接，方位估計單元接收並對傳感器坐標系中的 加速度、角速度和磁場測量的數據流進行處理，產生並輸出在磁場變化和人機互動裝置本 身加速度較大情況下的方位估值； 速度和位移估計模塊與方位估計單元的加速度估計模塊連接，速度位移估計模塊 使用來自加速度估計模塊的人機互動裝置本身的加速度估值，通過積分得到速度和位移數 據； 運動軌跡和力度分析模塊與方位估計模塊和速度和位移估計模塊連接，接受方位 估計模塊和速度和位移估計模塊來的方位估值、速度和位移數據，形成人機互動裝置在用 戶坐標系中各時刻的狀態，包括方位、角速度、加速度、速度、位移和位置，並進而推出運動 軌跡、作力方向和力度； 交互參數產生和功能鍵管理模塊與運動軌跡和力度分析模塊連接，交互參數產生 和功能管理模塊根據用戶坐標系和應用坐標系的關係，把在用戶坐標系下的位置、運動軌 跡、作力方向和力度參數，在功能鍵的控制下，按要求對人機互動裝置的方位角、角速度、加 速度、速度、位移、運動軌跡、作力方向和力度進行進一步計算和加工，輸出應用交互參數； 應用接口分別與交互參數產生和功能鍵管理模塊和應用和控制對象連接，應用接 口接收並轉發應用坐標系中得出的應用交互參數給應用和控制對象。 優選地，所述方位估計單元由方位估計模塊、磁場估計模塊、加速度估計模塊和置 初值模塊組成，用於降低偏移，提高估值精度，其中 方位估計模塊的輸入端分別與數據預處理模塊、磁場估計模塊、加速度估計模塊、 置初值模塊的輸出端連接，接收角速度數據流、接收磁場估計模塊的磁場信號、接收加速度 估計模塊重力加速度信號，接收置初值模塊的的初始方位信號；方位估計模塊使用貝葉斯 估值方法，以置初值模塊的初始方位值為起點，以陀螺儀的角速度測量數據為主，同時融合 磁場和重力加速度對方位角估值的制約，從而實現方位的低偏差估值；使用了非線性估值 濾波器來降低運動的非線性和傳感器測量的非線性可能產生的誤差；方位估計模塊分別向 運動軌跡和力度分析模塊、磁場估計模塊和加速度估計模塊輸出方位估值； 磁場估計模塊分別與數據預處理模塊和方位估計模塊連接，接收數據預處理模塊 輸出的磁場測量數據流、接收方位估計模塊的方位估值，使用非線性估值方法實現對隨位 置和時間變化的磁場進行估值；磁場估值的結果送往方位估計模塊參與下一時刻的方位估值； 加速度估計模塊分別與數據預處理模塊和方位估計模塊連接，接收加速度數據流 和方位估計模塊輸出的方位信號，加速度估計模塊使用非線性估值濾波器實現人機互動裝 置本身在傳感器坐標系下的加速度的估值，用估值結果從加速度測量數據中分離出重力加 速度分量，送往方位估計模塊中，參與方位的下一時刻的估值融合；同時，使用方位估計模 塊提供的方位估值，將傳感器坐標系中的加速度估值轉換到用戶坐標系中，送往速度和位 移估計模塊； 置初值模塊與方位估計模塊、速度和位移估計模塊和交互參數產生和功能鍵管理 模塊連接，置初值模塊中的系統初始化子模塊和坐標系重置子模塊通過方位估計模塊、速 度和位移估計模塊和交互參數產生和功能鍵管理模塊對方位、速度、位置和用戶和應用的 坐標系關係置初值；在接收控制鍵入信號和指令解釋信號時在簡單的標準場景下的重置初 值。 優選地，應用和控制對象通過應用接口發往三維人機互動數據處理和融合裝置的 指令信息有應用名稱、數據取樣率要求、幫助信息、初始化值；向人機互動裝置發出數據 取樣率控制命令，同時定期發出讀取人機互動裝置的電源管理單元的電源值，判定系統的 工作狀態參數。 優選地，系統初始化子模塊使用磁力計所測得的磁場的主方向和加速度傳感器中 測得的重力加速度方向，為傳感器坐標系和用戶坐標系關係置默認初置；使用初始場景為 用戶坐標系和應用坐標系關係置默認初值；根據初始場景的不同，系統初始化子模塊具有 不同的三維人機互動裝置初始位置和不同的方位、速度和位置初值。 優選地，所述三維人機互動裝置是方便手握、頭戴、腳捆或身穿方式附著在人的身 體的某部分的形狀，該形狀可以是手持的矩形狀、筆狀、指揮棒狀、握於手中的球狀、植入帽 中的薄片、緊固於腳、小腿或臂上的薄片。 —種三維動態定位設備，用於訓練、遊戲、製造、醫療、虛擬實境、混合現實的各種 三維應用外，也可以應用於機器的定位、導航和控制中。 本實用新型的有益效果本實用新型的設備把整個交互定義為在三個坐標系下的 傳感器數據獲取、處理、融合和轉換過程。這三個坐標系是，傳感器坐標系、用戶坐標系和應 用坐標系。它們分別對應於人機互動裝置、用戶和應用對象。三維動態定位設備在傳感器 坐標系中獲取三維人機互動裝置的運動數據，在用戶坐標系中估計其運動狀態參數，並進 一步將它們轉換成應用坐標系中的交互參數。本實用新型允許同一個應用中有一個或多個 用戶，同一個用戶使用一個或多個人機互動裝置。 與現有技術不同，本實用新型的考慮了微型傳感器，特別是微型陀螺儀、微型加速 度計和微型磁力計以及它們所測角速度、加速度和磁場數據的噪聲大、動態變化的特點，本 實用新型能有效地融合多種傳感器數據的運動參數的高精度估值，能實時估計位置、速度、 加速度、方位、角速度，並推導運動軌跡、作用力和方向等，滿足訓練、遊戲、製造、醫療、虛擬 現實、混合現實等各種三維應用的交互需要。 本實用新型具有功能鍵、系統初始化和重置、與應用交互和系統管理等功能，因此 可以與不同的三維應用實現理想的三維交互。 特別要著重指出的是，運動和位置參數的估值精度一直是制約很多應用的瓶頸。本實用新型在提高運動和位置參數估值精度，滿足應用要求上，採取了一系列新技術手段。這包括為了解決人機互動裝置本身運動的非線性和微型傳感器測量的非線性問題，本實
用新型在估值中使用能有效應對3次非線性問題的區F(Unscented Kalman Filter)濾波器；在應對磁場受周圍環境影響而變化問題時，我們首先估計磁場，在把磁場估計值送往數據融合方位估計；在解決加速度計測量數據中的重力加速度分量時，我們首先估計人機互動裝置本身的加速度，再將重力加速度分量分離出來；更重要的是，我們發明了一整套多傳感器(陀螺儀、加速度計和磁力計)數據融合進行高精度方位、速度和位置估值的方法。[0039] 本實用新型可以實現多少年來希望與機器的交互如同人與人之間一樣方便的願望。本實用新型還可以手握、腳持、頭戴、身穿等動作，使人機互動在三維空間中向更廣闊的應用發展。同時，作為一個能測量和估計三維運動和位置參數的裝置，本實用新型也可以用在各種運動物體的導航，虛擬世界和物理世界的交互等領域。

圖1是本實用新型三維動態定位設備的結構圖； 圖2是本實用新型中三維人機互動裝置在用戶坐標系中的位置和方位示意圖； 圖3是本實用新型一實施例的三維人機互動裝置的結構圖； 圖4是本實用新型一實施例的三維人機互動數據處理和融合裝置的結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖詳細說明本實用新型技術方案中所涉及的各個細節問題。應指出的是，所描述的實施例僅旨在便於對本實用新型的理解，而對其不起任何限定作用。[0045] 為了幫助理解本實用新型的技術內容，我們先敘述兩個應用本實用新型的"三維動態定位設備"的應用場景。場景之一是，在計算機大屏幕上顯示了一人體腦部的醫學斷層和核磁共振的三維重建圖，幾個醫生在討論醫療方案。每個醫生手中都持有一個本實用新型的"三維人機互動裝置100"，他們可以方便地在三維腦圖中定位、指示，並能在指定位置做一定的操作。這是擴展的遙控三維滑鼠加功能鍵。當然，由於本實用新型的三維人機互動裝置100在三維空間中的定位、指示和功能選擇等，它也可以用於其它的一些交互圖形繪製和編輯等。這裡，我們稱醫生手持的器件為"三維人機互動裝置IOO"，稱醫生為"用戶";計算機三維人腦三維圖像的重建、分析和作業系統稱為"應用";在應用所處的計算機中，接收、處理、融合傳感器數據，推導出應用所需交互參數的子系統，則稱為"三維人機互動數據處理和融合裝置200"。通常，每一個用戶有一個或多個三維人機互動裝置IOO，每一個應用可以有一個或多個用戶。 又例如，三維虛擬實境和混合現實訓練和遊戲系統中，可以實現兩個人對人，或人對虛擬人的訓練或遊戲，如打球。其中二人可以在一起，也可以遠隔千裡。他們不需要實際球場，以顯示屏幕為對象。這時，本實用新型的"三維人機互動裝置100"即為虛擬球拍。玩者(即"用戶")揮動球拍(交互裝置)時的速度、加速度、軌跡、角度、角速度，等都可以由"三維人機互動數據處理和融合裝置200"從三維交互人機裝置100中傳感器的數據中推導出來。這些擊球參數就可以用來進一步導出球被擊後的運動。當然也就可以使這場虛擬比賽如現實中一樣開展起來，勝負也就有了。打得好的球和沒有打好的球的擊球動作的紀錄
9可以調出來，分析原因，找出改進之所在。這裡，"應用"即為虛擬球賽的實現、顯示和管理。[0047] 如圖1示出本實用新型三維動態定位設備的結構圖；本實用新型由三維人機互動裝置100和三維人機互動數據處理和融合裝置200組成。三維人機互動裝置100獲取該裝置本身的三維位置和運動數據，以及使用者的指令，發給三維人機互動數據處理和融合裝置200。三維人機互動數據處理和融合裝置200處理和分析三維人機互動裝置100來的三維位置和運動數據，估計出三維人機互動裝置100在任一時刻在三維空間中的三維位置和方位，共6個參數；並進而根據應用要求，使用這6個參數及其時間序列，推導出應用空間中的控制參數。 三維動態定位設備，包括該系統把整個交互定義為在三個坐標系下的傳感器數據獲取、處理、融合和轉換過程，其中 三維人機互動裝置100在自身的傳感器坐標系中獲取並輸出三維人機互動裝置100的三維運動狀態的傳感數據，三維人機互動數據處理和融合裝置200接收傳感數據，並且在用戶坐標系中使用傳感數據進行運動狀態和位置參數的估值，並進一步將運動狀態參數轉換成應用坐標系中的交互參數； 三維人機互動數據處理和融合裝置200對多傳傳感器所測具有噪聲和動態變化
的多傳感數據(如角速度、加速度和磁場傳感數據)進行融合，實現運動狀態參數的精確估
值，實時估計位置、速度、加速度、方位、角速度，並推導運動軌跡、作用力和方向； 三維人機互動數據處理和融合裝置200進而通過應用接口 260與應用和控制對象
300連接，三維人機互動裝置100通過三維人機互動數據處理和融合裝置200、應用接口 260
和應用和控制對象300實現系統管理；置初值模塊224根據應用通過方位估計模塊、速度和
位移估計模塊和交互參數產生和功能鍵管理模塊250對方位、速度、位置和用戶和應用的
坐標系關係置初值。 1、傳感器、用戶和應用坐標系 在上述三維醫學圖像應用和虛擬球場的兩個應用例中，我們設定了三維交互系統的三個基本要素三維人機互動裝置、用戶和應用。 一個應用可以有一個或多個用戶，每個用戶也可以使用一個或多個三維人機互動裝置。三維人機互動裝置、用戶和應用也有各自的空間或坐標系，它們分別是傳感器坐標系、用戶坐標系和應用坐標系。
圖2示出了本實用新型三維人機互動裝置相對於用戶坐標系的位置和方位。由於
某一人機互動裝置ioo是由某一用戶使用的，而每一個用戶都有他自己的坐標系，稱"用戶
坐標系"。不同的用戶有不同的坐標系，用戶坐標系不同於全局坐標系。在交互應用中，應用對象也會有自己的坐標系，我們稱之為"應用坐標系"。例如前面例中醫生們所研究的人腦三維重建圖像的坐標系，虛擬球場的坐標系等，都是"應用坐標系"之例，它們沒有在圖2中示出。由於對於每一個不同的應用，都有如何處理用戶坐標系和應用坐標系的特殊要求。
當一用戶開始使用一人機互動裝置ioo，並選擇或加入了某應用之後，便需要設定"用戶坐
標系"(x， y， z)和應用坐標系及它們的關係。 人機互動裝置100中的所有微型傳感器110都校準到一個統一的坐標系，我們稱之為"傳感器坐標系"(x'，y'，z')。所有獲得的傳感器數據都在傳感器坐標系中。該傳感器坐標系在用戶坐標系中坐標點x，y，z的位置就是我們要求的人機互動裝置100的位置x=(x，y，z)，而傳感器坐標系相對於用戶坐標系的方位角a ， 13 ， Y就是我們要求的人機互動裝置100的方位q = (a ， 13 ， Y)。當用戶開始使用並初始化或重置人機互動裝置100時，三維人機互動裝置100的初始位置是x。 = (x。，y。，z。)，其中傳感器坐標系在用戶坐標系中的初始位置的坐標點為x。， y。， z。和和初始方位是q。二 (a。， |3 。， Y。)，其中傳感器坐標系在用戶坐標系中的初始方位的方位角為a。， P。， Y。。 在設定了三維動態定位設備的三個坐標系，即傳感器坐標系、用戶坐標系和應用坐標系之後，下面敘述的實用新型之核心是，在傳感器坐標系中獲取三維運動和位置數據，在用戶坐標系中融合多傳感器數據，估計出各三維人機互動裝置的運動和位置參數，最後在應用坐標系中產生出對該應用有意義的交互參數或概念。具體地說，三維人機互動裝置100在傳感器坐標系中獲取本身的運動和位置的傳感器數據，方位估計單元220、速度和位移估計模塊230和運動軌跡和力度分析模塊240使用傳感器數據估計出三維人機互動裝置100在用戶坐標系中的方位、位置、運動和力度參數。由於傳感器坐標系是以人機互動裝置中的傳感器坐標來定義的，三維人機互動裝置100在用戶坐標系中的方位、位置、運動和力度參數實際上是傳感器坐標系與用戶坐標系的關係參數。交互參數產生和功能鍵管理模塊250以及應用接口 260則使用用戶坐標系中的參數，以及用戶坐標系與應用坐標系的關係，根據應用要求，產生出相應的交互參數或概念。這裡，既有從用戶坐標系向應用坐標系的轉換，也有自運動參數向動作概念的聚類。由動作到手語即是動作概念聚類之一例。[0057] 傳感器坐標系和用戶坐標系之間，用戶坐標系和應用坐標系之間都是N:1的關係(N在此表示大於等於1的整數。這就是說多個用戶坐標系對應於1個應用坐標系)。在下面的敘述中和示意圖中，我們僅以1:1最簡單的情況為例來說明。N:1的情況僅是下面所詳細敘述的1:1情況的簡單推廣，沒有任何技術的難度。 傳感器坐標系和用戶坐標系之關係，以及用戶坐標系和應用坐標系之關係的初始值都是由"初始化/置初值模塊224"設定的。本實用新型將提供兩種途徑來獲得初值，一種是使用默認值的初始化，另一種是人為設定的重置。具體細節將在敘述到初始化/置初值模塊224時詳細說明。 仍以三維醫學圖像應用為例。3個醫生各持三維人機互動裝置，啟動了該應用。這裡，為了簡單起見，系統啟動時選默認傳感器坐標系在用戶坐標系中的定標，由醫生們將三維人機互動裝置指向顯示器的中心，為用戶坐標系和應用坐標系定標。此後，一醫生移動三維人機互動裝置，選擇了一個疑似腫瘤的位置，並用功能鍵選擇了放大，把此部分圖像呈現給另兩位醫生。另一位醫生則進一步選擇著色和旋轉，做進一步研究和討論。同時，他們也以三維人機互動裝置作為手術刀，對手術進行了模擬。 在完成了討論之後，已是過下班時間。他們選擇以他們手中的三維人機互動裝置為球桿，進行了 一場高爾夫球比賽。[0061] 2、三維人機互動裝置100 三維人機互動裝置可以是任意形狀，方便手握、頭戴、腳捆或身穿等方式附著在人的身體的某部分。例如，它可以如手持的電視機遙控器狀、筆或指揮棒狀，握於手中的球狀，植入帽中的和緊固於腳、小腿或臂上的薄片等。 從信息技術的角度說，三維人機互動裝置100是一微型嵌入式系統。它包括多個微型傳感器110、中央控制處理單元120、無線通信晶片130、以及一組功能鍵140。[0064] 三維人機互動裝置100中
11[0065] 微型傳感器110可以包括部分或全部下列傳感器三維加速度計、三維陀螺儀、三維磁力計、超聲波測距儀、雷射測距儀等。所述三維加速度可以選用微型三維加速度計或其他型號則不再贅述，所述超聲波測距儀選用微型超聲波測距儀或其他型號則不再贅述，雷射測距儀可以選用微型雷射測距儀則或其他型號不再贅述；這些微型傳感器110測量與該三維人機互動裝置100的位置和方位有關的數據其中微型三維加速度計測量沿其三維坐標軸的加速度數據，重力加速度也混在其中。三維陀螺儀測量沿其三維坐標軸該人機互動裝置100的角速度，三維磁力計則測量三個坐標方向上的磁場分量。微型超聲波測距儀和微型雷射測距儀則可用於測量該人機互動裝置100與所交互計算設備或其它參照物的較為精確的距離。 微型傳感器110中所有傳感器數據都分別連接到中央控制處理單元120的各路模數轉換器或數字入口 。中央控制處理單元120是對整個三維人機互動裝置100進行控制和處理。通常，它內部有幾個模數轉換器(Analog to Digital Converter,ADC)，將微型傳感器110的模擬數據經前置放大器放大到模數轉換器的動態範圍後轉換成數位訊號。中央控制處理單元120讀取模數轉換器的輸出數據的動作就是對微型傳感器110數據的採樣。因此，中央控制處理單元120以一定的採樣率分別採樣各微型傳感器IIO數據，存放於中央控制處理單元120的寄存器中，並將這些數據貼上時序標籤，和功能鍵指令一起，打包送往無線通信晶片130或有線通信通道。 作為中央控制處理單元120，採用微處理器或控制器時也按照預先嵌入的程序，控制和改變採樣率、作時間復位、對數據作必要的預處理，等等。 無線通信晶片130建立三維人機互動裝置100與三維人機互動數據處理和融合裝置200所在計算機或計算設備的通信，完成它們之間的數據和命令的傳送。在傳輸距離不很長的情況下，可以使用藍牙、Zigbee等現有無線通信技術、晶片和協議。在三維人機互動裝置100中，無線通信晶片130與中央控制處理單元120連接，接收中央控制處理單元120的指令和數據，將數據送往三維人機互動數據處理和融合裝置200 ;通過無線通信晶片130，中央控制處理單元120接收、解釋和執行來自三維人機互動數據處理和融合裝置200所在計算機的命令(如切換應用，改變取樣率等)。在三維人機互動數據處理和融合裝置200所在計算機端，三維人機互動數據處理和融合裝置200所在計算機與無線通信晶片130按通信協議建立通信後，接收三維人機互動裝置100的數據和狀態信息，向三維人機互動裝置100發送指令。在有些情況下，可以不用無線通信，而採用有線通信方式，如將三維人機互動裝置100的數據線從USB 口接入三維人機互動數據處理和融合裝置200所在計算機或計算設備。 功能鍵140可以包括初始化或重置鍵、選擇鍵(如滑鼠的左鍵)、功能顯示鍵(如滑鼠的右鍵)，等。在三維人機互動裝置100中，功能鍵140與中央控制處理單元120連接，功能鍵140信息通過中斷，由中央控制處理單元120將之打包傳送到三維人機互動數據處理和融合裝置200。 3、三維人機互動數據處理和融合裝置200 如圖4所示，三維人機互動數據處理和融合裝置200 —般以軟體的形式與應用一起，存在於應用計算機或其它應用設備中。例如，與視頻遊戲共同存在於遊戲計算機中或遊戲機中，與三維醫學圖像顯示和手術模擬系統共同存在於計算機系統中。當然，三維人機互動數據處理和融合裝置200也可以與三維人機互動裝置100共同存在於三維人機互動裝置的硬體中，甚至固化於晶片中。 三維人機互動數據處理和融合裝置200包括下述模塊的部分或全部數據預處理模塊210、方位估計單元220、速度和位移估計模塊230、運動軌跡和力度分析模塊240、交互參數產生和功能鍵管理模塊250、應用接口 260。運動軌跡和力度分析模塊240是對人機互動裝置的運動軌跡和力度進行分析的模塊；交互參數產生和功能鍵管理模塊250是交互滑鼠參數的產生和功能鍵的管理模塊；應用接口 260是對系統管理、控制和應用的接口 ；[0073] 數據預處理模塊210對從人機互動裝置100採集和傳送來的數據作預處理。預處理包括核對數據的時序標籤，處理數據丟失情況，進行去噪聲濾波等。若有數據丟失，通常採取插值的方法來補齊丟失的數據。 方位估計單元220包括以陀螺儀所測得的角速度的積分來估計方位的方位估計模塊221，以磁力計輸出來估計磁場並用於矯正方位的磁場估計模塊222，以加速度傳感器數據來估計加速度並用重力加速度來矯正方位的加速度估計模塊223，以及重置初值的置初值模塊224。在方位估計模塊221中，使用三維陀螺儀測得的角速度進行積分，求得人機互動裝置100相對於初始方位的三個方位角(a ， |3 ， Y )。[0075] 為了提高精度，採用如下方法 a)由於三維陀螺儀測得的是角速度測量值，該測量值是實際值和噪聲的疊加，而且，角速度的變化可以是線性或非線性的。為了獲得實際角速度，需要採用貝葉斯估值方法。由於估值方程的非線性，我們可以採用擴展的卡爾曼濾波或Unscented卡爾曼濾波。[0077] b)三維陀螺儀測量的是角速度，僅用三維陀螺儀數據的積分來估值方位角，會出現偏差。為此，我們加入磁力計測得的磁場(通常假設磁場相對穩定或變化緩慢，磁力計的測量值也相對穩定或變化緩慢)和加速度計測得的加速度(加速度計測得的值中，很大一部分是重力加速度，去除人機互動裝置100本身的加速度之後，重力加速度的大小和方向是非常穩定的)，組成共同的運動方程和測量方程，實施動態估值運算，求得較為可靠的方位角估值。 c)在現實中，磁場會因為周圍環境中的用電設備等的存在而變化。但這種變化是緩慢的。因此，在使用磁場對使用陀螺儀數據估計出的方位角進行校正的同時，磁場估計模塊222對緩慢變化的磁場進行估值。 d)同樣，加速度估計模塊223也對人機互動裝置100本身的加速度進行估值，記為a。在任一時刻，三維加速度計的測量值應是重力加速度、人機互動裝置100本身加速度和測量噪聲之和。由於加速度、方位角和磁場都是人機互動裝置100的狀態變量，以此可以寫出貝葉斯估值方法中的測量方程。人機互動裝置100的加速度可以用貝葉斯方法進行估值。求得估值之後，我們可以得到重力加速度在人機互動裝置100當時坐標系之下的值。這個值也同時用於對使用陀螺儀數據估計出的方位角進行校正，達到減少偏差的目的。[0080] 在前面，我們已經估計出人機互動裝置100的方位，即相對於用戶坐標系的三個方位角，以及人機互動裝置100本身在用戶坐標系中的加速度(ax，ay，az)。這樣，經過積分運算，可以得出其在用戶坐標系中的速度和位移。速度和位移估計模塊230使用來自加速度估計模塊223的人機互動裝置100在用戶坐標系中的三維加速度數據，以及經置初值模塊224獲得速度初值和位置初值，經對加速度的一次積分獲得人機互動裝置100在用戶坐標系中的速度(vx，vy，vz);再對速度積分，獲得人機互動裝置100在用戶坐標系中的位移和 位置(x， y， z)。 從三維加速度傳感器數據估算出的速度和位移，由於微型角速度傳感器的噪聲和 漂移，測量精度不是很高，但可以滿足很多應用要求。對於精度要求高的應用，可以加入超 聲測距或雷射測距，來測量人機互動裝置100相對於某特定目標(如訓練和遊戲對象、屏幕 等)的距離，來補償以上測量和估值的精度。 至此，在任意時刻，我們可以估計出人機互動裝置100在用戶坐標系中的位置、速 度、加速度、方位角、角速度，由此形成此時刻的狀態矢量(x，v，a，q，")。這樣，人機互動裝 置的運動軌跡和力度分析模塊240就可以方便地得出人機互動裝置100或它所代表的人體 (拳、腳等)或器械(球拍等)的軌跡。在給定質量(或重量)的情況下，可以使用速度算 出動量，或使用加速度算出力的大小和方向。 如使用人機互動裝置100代表球拍等運動器械，或將人機互動裝置100嵌入球拍 等運動器械之中時，我們這裡算出的位置和運動狀態矢量(x， v， a， q，")是傳感器坐標系 相對於用戶坐標系而言的。如已知用戶坐標系與應用坐標系的關係，如圖2所示，傳感器坐 標系(x'，y'，z')中沿y'軸的所有點的方位角q和角速度"都相同。因此，以球拍為例， 當擊球點與傳感器坐標系原點之距離已知(如記為d)，在用戶坐標系中，由於已知人機交 互裝置100坐標系原點位置、速度和加速度，擊球點的位置、速度和加速度可以直接用立體 幾何的方法求出。由此，在擊球瞬間，由球拍擊球點的運動狀態矢量(x，v，a，q，")以及球 的運動狀態矢量，我們可以求出擊球後球的運動，從而完成虛擬訓練或遊戲中的擊球和球 的運動的"真實"模擬。 同時，我們也可以根據擊球效果，調出相應的擊球動作的運動狀態矢量序列，特別 對其運動軌跡和發力過程進行定量分析，可以改進擊球動作。也可以進一步寫出特定動作 的重複訓練程序，根據擊球後球的運動評價擊球效果，再根據擊球過程的人機互動裝置100 的運動軌跡和發力點和發力過程，以及它們與擊球效果的相關，評價當前擊球動作的評價， 給出新的擊球方法的建議。 交互參數產生和功能鍵管理模塊250的功能是要使用自運動軌跡和力度分析模 塊240的狀態參數求出在應用坐標系的三維空間中的交互參數，並完成功能鍵的管理。例 如，在三維圖形圖像編輯應用中，它主要包括定位和選擇以及連續畫圖。在特殊需要的情 況下，也可把字符輸入包括進來。這樣，在一般情況下，本實用新型中人機互動裝置100上 的功能鍵只包括開關、初始化/重置、選擇、功能顯示。當開啟人機互動裝置ioo或使用初 始化或復位鍵時，系統處於初始狀態，同時給人機互動裝置100的位置、速度和方位角置初 值。由於功能鍵往往與應用接口，因此放在這一模塊中加以管理。 由於三維人機互動裝置的數據經方位估計單元220和速度和位移估計模塊230後 可得其三維位置和方位，在用作三維滑鼠時，只需要定位。因此，我們可以用獲得的三維位 置來為三維滑鼠定位，也可以將獲得的三維方位轉換為三維坐標來為三維滑鼠定位。 系統管理、控制的應用接口 260是整個系統向下與人機互動裝置100的接口和向 上與應用和控制對象300的接口。應用接口 260參數包括，自應用應用名稱、數據取樣率 要求、幫助信息、初始化值；自人機互動裝置功能鍵值、滑鼠位置、三維位置、三維方位。系 統管理和控制解讀應用要求，向人機互動裝置100發出數據取樣率等控制命令。同時定期讀取人機互動裝置100的狀態參數，如電源水平等，判定系統的工作狀態。系統管理、控制 的應用接口 260與人機互動裝置的接口參數包括命令、功能鍵、三維傳感器數據。 現以一具體實施例來進一步說明實施細節。如前所述，本實用新型不局限於此例。 圖3示出本實用新型一實施例的三維人機互動裝置的結構和系統流程圖。圖3中， 微型傳感器110，採用三種微型傳感器即三軸加速度計111、三軸陀螺儀112和三軸磁力計 113。中央控制處理單元120採用微型控制器(為了便於理解記憶，將中央控制處理單元120 的一種形式為微型控制器也加標記號為120)，微型控制器120包括模數轉換接口 121、 12C 接口 122、定時器123、控制晶片124、寄存器125、中斷管理器126、串口模塊127。還包括一 個電源管理單元150，電源管理為人機互動裝置100供電。功能鍵140選擇為按鍵1、按鍵2 和按鍵3。根據傳感器產品型號和生產廠家的不同，有的輸出模擬信號，有的直接輸出數字 信號。但輸出模擬信號的，通常都已經放大到與模數轉換相匹配的信號水平。因此，圖3中 微型傳感器110的三軸加速度計111、三軸陀螺儀112和三軸磁力計113中的任何一種傳感 器，其信號為模擬信號和數位訊號則接到微型控制器120的模數轉換接口 121和12C數字 接口 122連接。微型控制器120按照從應用(圖4中應用和控制對象300，如上例中三維醫 學圖像系統應用)來的命令，設定各微型傳感器110的採樣率，存放在寄存器125中。微型 控制器120並按照即定採樣率從模數轉換器121或I2C接口 122分別讀取微型傳感器110 的三軸加速度計111、三軸陀螺儀112和三軸磁力計113的傳感數據，並將傳感數據加上時 間標籤，按照人機互動系統數據通信協議格式，將加上時間標籤的傳感數據放入寄存器125 中的專用緩存中。 功能鍵140以中斷管理器126的方式進入人機互動裝置100，因為它們與數據相比 具有高優先級。因此，按下一個功能鍵140，人機互動裝置100就會馬上響應，把功能鍵140 以人機互動系統指令通信協議格式，通過控制晶片124放入寄存器124中專用緩存中。 微型控制器120中的寄存器125中的專用緩存用來存儲按照通信協議包裝好的數 據和指令，等待被送往三維人機互動數據處理和融合裝置200。 這裡，通過串口模塊127將寄存器125中的傳感數據送入無線通信晶片130，無線 通信晶片130由藍牙模塊來實現人機互動裝置100與三維人機互動數據處理和融合裝置 200所在的主計算機的無線通信。這是因為幾乎所用計算機都有藍牙模塊和相應的接口支 持。 圖4是本實用新型一實施例的三維人機互動數據處理和融合裝置200的流程圖。 人機互動裝置100來的傳感器數據首先經預處理模塊，分離出各微型傳感器110 的數據，形成各微型傳感器IIO(三維加速度計111、三維陀螺儀112和三維磁力計113)數 據流，並檢查這些數據的完整性。特別是發現數據丟失情況，找出丟失的準確時間和位置， 並進行插值處理。因為微型傳感器110的數據噪聲很大，還必須分別對各個微型傳感器110 的數據進行去噪聲處理。 如圖4所示，三維人機互動數據處理和融合裝置200包括數據預處理模塊210、方 位估計單元220、速度和位移估計模塊230、運動軌跡和力度分析模塊240、交互參數產生和 功能鍵管理模塊250、以及應用接口 260和應用和控制對象300。 如圖4所示的方位估計單元220由方位估計模塊221、磁場估計模塊222、加速度 估計模塊223以及置初值模塊224組成；經數據預處理模塊210預處理後的三維陀螺儀112
15的數據流被送往方位估計模塊221，由積分運算進行方位估計；經數據預處理模塊210預處 理後的加速度傳感器111的數據流被送往加速度估計模塊223進行加速度估計，經數據預 處理模塊210預處理後的三維磁力計113的數據流被送往磁場估計模塊222進行磁場估 計。 方位估計模塊221以三維陀螺儀112的角速度數據為主，同時融合重力加速度和 磁場的測量數據和它們在用戶坐標系中的參考值，估計方位角。為了提高估值精度，使用貝 葉斯估值方法。這時，以方位角q作為運動狀態矢量，方位角的狀態方程為 qt = qt—工 ( A t)+Vq (1) 其中A是t時刻的方位角矢量，At是取樣時間間隔， (At)是以四元數表示的 乘法矩陣，V,是系統噪聲。根據三個傳感器的工作原理，因為q用圖2中所示傳感器坐標系 在用戶坐標系中的方位角的四元數表示，有如下測量方程 Zf=/f(《)+ Kg (2) Z,。=—(《，g) + ff (3)Z「=，m) + C ( 4 ) 這裡，Ztg， Zta， Ztm分別是陀螺儀、加速度計和磁力計於t時刻在傳感器坐標系中的 測量值。V/，Vta，Vtm分別是陀螺儀、加速度計和磁力計於t時刻的測量噪聲。方程(2)表示陀 螺儀的測量值是同一時刻方位角的函數H(qt)和測量噪聲的和；方程(3)在人機互動設備 本身的加速度很小，與重力加速度相比可以忽略不計的假設前提下，認為加速度計的測量 值是用戶坐標系中的重力加速度g經變換到傳感器坐標系的值和噪聲之和。這裡qrot(q， g)和qrot(q， m)分別表示在用戶坐標系中的重力加速度g和磁場m經變換到傳感器坐標 系，而此變換由當前方位q所定義。這裡，我們假設磁場是不變的。 若將三個傳感器的測量值以矢量Zt表示，則有 z, =(",z,a,z;")7 (5) 如常規，T表示轉置，Zt是列矢量。有了狀態方程和測量方程，就可以使用貝葉斯 估值方法了。貝葉斯估值以疊代求最大後驗概率P(qtlZ^—》的方法來估值。P(qt|Z1:t—》 即為已知傳感器數據流Z^—工的條件下方位角的後驗概率。貝葉斯估值方法包括兩步疊代， 取得狀態初始值q。後，在上一時刻後驗概率P (q^ I Z工:t—》的基礎上預測和計算後驗概率
p(qt|zt—》 p (qt I Z丄t—》=/ p (qt | qt—卩p (qt—丄| Z丄t—》dqt—丄 (6) 方程(6)中，條件概率p(qtk-》表示了動態系統的時間相關性(也稱馬爾可夫特 性)，它由方程(1)獲得。 貝葉斯估計的更新方程使用測量方程求得的似然率來更新(6)式求得的後驗概 率，從而獲得t時刻的方位角的後驗概率，由此完成方位角的估值 p (qt I:t) = p (Zt I qt) p (qt | Z丄:t—》/p (Zt | Z丄:t—》 (7) 這裡，p(ZtlZh》可視為歸一化因子。若各傳感器相互獨立，方程(7)可寫為 水i ) = i《,)P(z; i & ) i《i z1:M) / P(z, i zl:,_,)(8) 這裡，p (Ztg I qt) ， p (Zta I qt) ， p (Z; | qt)分別為t時刻陀螺儀、加速度計和磁力計測量 值在方位qt的似然率。它們由方程(2)、 (3)和(4)求得。方程(8)中實現了三種傳感器數據的融合，融合的方式是三個似然率的相乘，它們的貢獻由似然率的方差調節。 在求解方程(6)和(7)時，我們往往對分布函數作一些假設。最簡單的是作線性 方程和高斯分布的假設，它可以使用簡單的卡爾曼濾波方法。這裡，因為測量方程和狀態 方程都不是線性的，為了提高估值精度，在本實用新型的大多數估值中，都使用能近似非線 性函數的區F(Unscented Kalman Filter)。下面的參考文獻給出了詳細的敘述Zhiqiang Zhang，Zheng Wu，Jiang Chen，and Jiankang Wu，UbiquitousHuman Body Motion Capture using Micro_sensors， Seventh A皿imlIEEE International Conference on Pervasive Computing andCommunications， PerCom 2009， March 9-13， 2009。在獲得狀態變量的初值 q。(由置初值模塊224處獲得)之後，就可以使用估值方法求解。 上面中敘述了方位估計模塊221中實現的融合三個傳感器數據的整個方位估值 方法和公式。但是，這種方法的假設是，磁場不變，三維人機互動裝置ioo本身的加速度相 比重力加速度很小，可以忽略不計。這個假設在很多情況下不適用例如，由於各種電器的 存在，磁場總是隨時間和地點變化。在很多應用(如運動模擬)中，三維人機互動裝置100 的加速度有比較大的幅度，與重力加速度相比不可以忽略不計。因此，本實用新型增加了磁 場估計模塊222和加速度估計模塊223，以實時估計變化的磁場和三維人機互動裝置100本 身的加速度。 為了反映真實情況，在磁場估計模塊222中，我們認為磁場是變化的，但此變化相 對於方位的變化是緩慢的。在時刻t，我們先用前面的公式估計方位，再估計磁場和加速度。 在估計方位時，使用上一時刻磁場估計結果。為此，改方程(4)為Z「=—《,m,—,)+^7" (4-1) 為了估計磁場，把磁場的狀態方程寫為 mt = mt—i+Vm (10) 這裡，m為磁場的三維狀態矢量，Vm為噪聲。測量方程則為 Z,=—(《,W,) + ff (11) 方程(4-1)和(11)雖然形式類似，但意義不同，(4-1)以磁場為常參數，方位為狀 態變量，產生似然函數P(Ztlqt)，加入方位估計方程組中。而方程(ll)以已估計出的方位 為常參數，磁場為狀態變量，產生似然函數P(Ztlmt)。有了一對狀態方程(10)和測量方程 (ll)，形成了貝葉斯估值的基礎，與方位估計類似，我們可以求解磁場的估值問題。估值的 結果是用戶坐標系中的磁場值mt，送往方位估計模塊221做下一時刻的方位估值。 同樣，在加速度估計模塊223中我們將估計出三維人機互動裝置本身在傳感器坐 標系中的加速度atS，送往方位估計模塊221，由此產生重力加速度在傳感器坐標系下的測 量值Zta-a/。由於人機互動裝置本身加速度遠小於重力加速度的假設不成立，因此，測量方 程(3)改寫為: Z,。—《,=f0"《,g) + ^ ( 3-1 ) 為了估計人機互動裝置本身在傳感器坐標系中的加速度，加速度估計模塊223中 估值公式的狀態方程為 《=《、—,+「。 (13) 這裡，as為加速度在傳感器坐標系中的三維狀態矢量(必須提醒的是，三個狀態矢量，即方位q、磁場m和加速度a，加上標s時，表示在傳感器坐標系中，不加上標時，表示在 用戶坐標系中)，Va為噪聲。測量方程為 Z;= 一(《，g) +《+ ^ (14) 狀態方程(13)和測量方程(14)組成貝葉斯估值方程組。採用同樣的求解方法， 我們可以從加速度計的測量數據和從方位估計模塊221來的方位，估計出三維人機互動裝 置本身在傳感器坐標系中的加速度，送往方位估計模塊221。同時，將它轉換成用戶坐標系 下三維人機互動裝置本身的加速度qrot—1 (qt， ats)，送往速度和位移估計模塊230。 速度和位移估計模塊230，對用戶坐標系下三維人機互動裝置本身的加速度進行 積分(在離散情況下是求和)來估計速度和位移。並使用置初值模塊224所置初值，獲得 位置。方位估計模塊221將估計的方位及速度和位移估計模塊230將估計的速度、位移和 位置，都送往運動軌跡和力度分析模塊240。 運動軌跡和力度分析模塊240與方位估計模塊221和速度和位移估計模塊230連 接。運動軌跡和力度分析模塊240接受方位估計模塊221和速度和位移估計模塊230來的 方位、速度和位置等數據，形成一個人機互動裝置100在用戶坐標系中t時刻的完全的狀態 矢量(xt， vt， at， qt， "t)。將人機互動裝置100在當前時刻t和以前各時刻的位置、速度、 加速度、方位角和角速度狀態矢量序列[(xt，vt，at， qt， "t)， t = 0，1，2，...]，也即運動軌 跡，作進一步的分析，就可以得到作用力方向和力度等具有直接應用的參數，並送往交互參 數產生和功能鍵管理模塊250。例如，設定質量值，自加速度就可以推得作用力和方向。 交互參數產生和功能鍵管理模塊250把在用戶坐標系下的位置、運動、軌跡及力 度參數，根據用戶坐標系和應用坐標系的關係，在功能鍵的控制下，按要求對方位角、角速 度、加速度、速度、位移，運動軌跡、作力方向和力度進行進一步計算和加工，輸出應用所需 參數，送往應用接口 260。例如 在三維醫學圖像應用例中，根據某一醫生用戶坐標系與三維圖像應用坐標系的關
系，將來自上一"運動軌跡和力度模塊240"的在這一用戶坐標系中的位置和方位參數轉換
為應用坐標系下的位置和方位，從而可以在三維圖像中選定感興趣的點或區域。 在虛擬球場例中，根據一個玩者用戶坐標系與虛擬球場應用坐標系的關係(由於
玩者可能在跑動，這個關係也是動態的)，將來自上一"運動軌跡和力度模塊240"的在這一
用戶坐標系中的位置、方位、軌跡和力度參數轉換為應用坐標系下的相應參數，送往應用接
口 。在應用中，與球的運動參數對接，從而得出擊球點，擊球後球的運動。 圖4還示出了三維人機互動裝置100通過三維人機互動數據處理和融合裝置200
與應用接口 260，與應用和控制對象300實現系統管理。應用和控制對象300通過應用接
口 260發往三維人機互動數據處理和融合裝置200的指令信息有應用名稱、數據取樣率要
求、幫助信息、初始化值；向人機互動裝置IOO發出數據取樣率等控制命令，同時定期發出
讀取人機互動裝置100的狀態參數，如電源管理單元150的電源水平等，判定系統的工作狀態。 圖4所示的置初值模塊224分別為方位估計模塊221、速度和位移估計模塊230和 交互參數產生和功能管理鍵模塊250置初值，初始化或重置傳感器坐標系與用戶坐標系的 相互關係(存儲於方位估計模塊221、速度和位移估計模塊230之中)以及用戶坐標系和應 用坐標系之間的關係(存儲於交互參數產生和功能鍵管理模塊250)。初始化或重置傳感器坐標系與用戶坐標系的相互關係，或曰對方位估計模塊221和速度和位移估計模塊230置 初值也由於下述原因方位估值主要由陀螺儀測得的角速度積分而得，速度和位移是由人 機交互裝置ioo本身的加速度的估值積分而得。由於積分常數的存在，方位角、速度和位移 的估值，都有置初值，或曰系統初始化的問題。有兩種置初值的方式 —種是初始化，由開機時整個系統初始化完成。這時，傳感器坐標系和用戶坐標 系，以及用戶坐標系和應用坐標系的關係都取默認值。在置初值模塊224中，有一默認的 初始化程序，在啟動人機互動裝置時自動執行。這一初始化程序在初始化傳感器坐標系和 用戶坐標系關係時，以磁力計測得的地磁場為z軸，重力加速度方向為y軸的副向，人機交 互裝置的起始位移、速度、加速度均為零，來初始化傳感器坐標系和用戶坐標系；在初始化 用戶坐標系和應用坐標系關係時，以用戶和應用的常規位置來初始化。例如，在虛擬球網球 中，假定用戶處於一方的球場中央。 另一種是重置初值。這時，我們常選擇一個初始場景和位置。如在三維醫學圖像 應用中重置醫生的用戶坐標系與三維圖像坐標系關係時，我們讓醫生用手中的三維人機交 互裝置指向三維醫學圖像所顯示的中心位置，按下重置鍵，置初值模塊224將按照應用設 計調整該應用的初始位置設置。 重置傳感器坐標系和用戶坐標系關係初置時如重置傳感器坐標系和用戶坐標系
關係初置時，根據初始場景的不同，系統初始化程序可以有不同的三維人機互動裝置100
初始位置，也可以有不同的方位、速度和位置初值。 一簡單的系統初始化程序可為 將三維人機互動裝置100置於用戶坐標系中的最原始的位置，如自原點沿x坐標
軸方向，並取靜止狀態； 按下"重置/置初值"鍵； 置初值模塊224向方位估計模塊送出方位強制性初值(0，90° ，90° );向速度和 位移估計模塊230送出速度和位置強制性初值0 ; 以上所述，僅為本實用新型中的具體實施方式
，但本實用新型的保護範圍並不局 限於此，任何熟悉該技術的人在本實用新型所揭露的技術範圍內，可理解想到的變換或替 換，都應涵蓋在本實用新型的包含範圍之內，因此，本實用新型的保護範圍應該以權利要求 書的保護範圍為準。
權利要求一種三維動態定位設備，其特徵在於，包括三維人機互動裝置在自身的多個微型傳感器坐標系中獲取並輸出三維人機互動裝置的三維運動狀態的多種傳感數據；三維人機互動數據處理和融合裝置與三維人機互動裝置連接，接收三維人機互動裝置所採集的多傳感數據，並對多個微型傳感器所測具有噪聲和動態變化的多傳感數據進行融合，獲得三維人機互動裝置在用戶坐標系中的運動狀態和位置參數，即位置、速度、加速度、方位、角速度的精確估值，推導運動軌跡、作用力和方向；並轉換成應用坐標系中的交互參數；應用和控制對象通過應用接口與三維人機互動數據處理和融合裝置連接，接收運動狀態和位置參數的精確估值以及由此推出的交互參數，用於控制應用和控制對象，通過應用接口向三維人機互動數據處理和融合裝置發送指令信息。
2. 如權利要求1所述的三維動態定位設備，其特徵在於，三維人機互動裝置，包括多 個微型傳感器、中央控制處理單元、無線通信晶片、以及一組功能鍵，其中多個微型傳感器提取三維人機互動裝置本身的三維位置和運動數據，並經過轉換放大 處理後輸出三維位置和運動模擬數據；中央控制處理單元的各路模數轉換器或數字入口分別連接到多個微型傳感器中所有 傳感器數據端，中央控制處理單元按設定的採樣率接收並對多個微型傳感器輸出的三維位 置和運動的模擬數據進行控制和處理，獲得多個微型傳感器的採樣數據存放於中央控制處 理單元的寄存器中，並將這些採樣數據貼上時序標籤和功能鍵指令一起打包並輸出採樣數 據和功能鍵指令；中央控制處理單元接收、解釋和執行來自三維人機互動數據處理和融合 裝置所在計算機的命令；無線通信晶片與中央控制處理單元連接，接收並輸出中央控制處理單元的功能鍵指令 和採樣數據；無線通信晶片建立三維人機互動裝置與三維人機互動數據處理和融合裝置所 在計算機或計算設備的通信，完成計算機或計算設備之間的數據和命令的傳送；功能鍵與中央控制處理單元連接，功能鍵的信息通過中斷，由中央控制處理單元將之 打包傳送到三維人機互動數據處理和融合裝置。
3. 如權利要求1所述的三維動態定位設備，其特徵在於，所述微型傳感器為多種微型 傳感器，多種微型傳感器為至少一個或一個以上的三維加速度傳感器、三維陀螺儀、三維磁 力計、超聲波測距儀、雷射測距儀。
4. 如權利要求2所述的三維動態定位設備，其特徵在於，所述功能鍵是初始化鍵或重 置鍵、選擇鍵和功能顯示鍵。
5. 如權利要求1所述的三維動態定位設備，其特徵在於，三維人機互動數據處理和融 合裝置包括數據預處理模塊、方位估計單元、速度和位移估計模塊、運動軌跡和力度分析模 塊、交互參數產生和功能鍵管理模塊、以及應用接口，其中數據預處理模塊分別與三維人機互動裝置連接，數據預處理模塊分別接收三維人機交 互裝置的微型傳感器測量該微型傳感器坐標系中的加速度、角速度和磁場測量數據，經去 噪聲和完整性檢測處理，生成並輸出傳感器坐標系中的加速度、角速度和磁場測量的數據 流；方位估計單元與數據預處理模塊連接，方位估計單元接收並對傳感器坐標系中的加速度、角速度和磁場測量的數據流進行處理，產生並輸出在磁場變化和人機互動裝置本身加 速度較大情況下的方位估值；速度和位移估計模塊與方位估計單元的加速度估計模塊連接，速度位移估計模塊使用 來自加速度估計模塊的人機互動裝置本身的加速度估值，通過積分得到速度和位移數據；運動軌跡和力度分析模塊與方位估計模塊和速度和位移估計模塊連接，接受方位估計 模塊和速度和位移估計模塊來的方位估值、速度和位移數據，形成人機互動裝置在用戶坐 標系中各時刻的狀態，包括方位、角速度、加速度、速度、位移和位置，並進而推出運動軌跡、 作力方向和力度；交互參數產生和功能鍵管理模塊與運動軌跡和力度分析模塊連接，交互參數產生和功 能管理模塊根據用戶坐標系和應用坐標系的關係，把在用戶坐標系下的位置、運動軌跡、作 力方向和力度參數，在功能鍵的控制下，按要求對人機互動裝置的方位角、角速度、加速度、 速度、位移、運動軌跡、作力方向和力度進行進一步計算和加工，輸出應用交互參數；應用接口分別與交互參數產生和功能鍵管理模塊和應用和控制對象連接，應用接口接 收並轉發應用坐標系中得出的應用交互參數給應用和控制對象。
6. 如權利要求5所述的三維動態定位設備，其特徵在於，所述方位估計單元由方位估 計模塊、磁場估計模塊、加速度估計模塊和置初值模塊組成，用於降低偏移，提高估值精度， 其中方位估計模塊的輸入端分別與數據預處理模塊、磁場估計模塊、加速度估計模塊、置初 值模塊的輸出端連接，接收角速度數據流、接收磁場估計模塊的磁場信號、接收加速度估計 模塊重力加速度信號，接收置初值模塊的的初始方位信號；方位估計模塊使用貝葉斯估值 方法，以置初值模塊的初始方位值為起點，以陀螺儀的角速度測量數據為主，同時融合磁場 和重力加速度對方位角估值的制約，從而實現方位的低偏差估值；使用了非線性估值濾波 器來降低運動的非線性和傳感器測量的非線性可能產生的誤差；方位估計模塊分別向運動 軌跡和力度分析模塊、磁場估計模塊和加速度估計模塊輸出方位估值；磁場估計模塊分別與數據預處理模塊和方位估計模塊連接，接收數據預處理模塊輸出 的磁場測量數據流、接收方位估計模塊的方位估值，使用非線性估值方法實現對隨位置和 時間變化的磁場進行估值；磁場估值的結果送往方位估計模塊參與下一時刻的方位估值；加速度估計模塊分別與數據預處理模塊和方位估計模塊連接，接收加速度數據流和方 位估計模塊輸出的方位信號，加速度估計模塊使用非線性估值濾波器實現人機互動裝置本 身在傳感器坐標系下的加速度的估值，用估值結果從加速度測量數據中分離出重力加速度 分量，送往方位估計模塊中，參與方位的下一時刻的估值融合；同時，使用方位估計模塊提 供的方位估值，將傳感器坐標系中的加速度估值轉換到用戶坐標系中，送往速度和位移估 計模塊；置初值模塊與方位估計模塊、速度和位移估計模塊和交互參數產生和功能鍵管理模塊 連接，置初值模塊中的系統初始化子模塊和坐標系重置子模塊通過方位估計模塊、速度和 位移估計模塊和交互參數產生和功能鍵管理模塊對方位、速度、位置和用戶和應用的坐標 系關係置初值；在接收控制鍵入信號和指令解釋信號時在簡單的標準場景下的重置初值。
7. 如權利要求1所述的三維動態定位設備，其特徵在於，應用和控制對象通過應用接 口發往三維人機互動數據處理和融合裝置的指令信息有應用名稱、數據取樣率要求、幫助信息、初始化值；向人機互動裝置發出數據取樣率控制命令，同時定期發出讀取人機互動裝 置的電源管理單元的電源值，判定系統的工作狀態參數。
8. 如權利要求6所述的三維動態定位設備，其特徵在於，系統初始化子模塊使用磁力計所測得的磁場的主方向和加速度傳感器中測得的重力加速度方向，為傳感器坐標系和用 戶坐標系關係置默認初置；使用初始場景為用戶坐標系和應用坐標系關係置默認初值；根 據初始場景的不同，系統初始化子模塊具有不同的三維人機互動裝置初始位置和不同的方 位、速度和位置初值。
9. 如權利要求1所述的三維動態定位設備，其特徵在於，所述三維人機互動裝置是方 便手握、頭戴、腳捆或身穿方式附著在人的身體的某部分的形狀，該形狀可以是手持的矩形 狀、筆狀、指揮棒狀、握於手中的球狀、植入帽中的薄片、緊固於腳、小腿或臂上的薄片。
10. —種如權利要求1所述的三維動態定位設備，用於訓練、遊戲、製造、醫療、虛擬現 實、混合現實的各種三維應用外，也可以應用於機器的定位、導航和控制中。
專利摘要本實用新型公開一種三維動態定位設備，具有三維人機互動裝置在在自身的傳感器坐標系中獲取並輸出三維人機互動裝置的三維位置和運動狀態的傳感數據，三維人機互動裝置與三維人機互動數據處理和融合裝置連接，接收傳感數據，在用戶坐標系中進行運動狀態參數估計，將運動狀態參數轉換成應用坐標系中的交互參數，並進一步通過應用接口實現與應用和控制對象的實時三維交互。三維人機互動裝置也通過三維人機互動數據處理和融合裝置與應用和控制對象交換數據和控制指令，實現系統管理、系統初始化和對方位、速度、位置和用戶和應用坐標系關係重新置初值。
文檔編號G01C21/16GK201514612SQ20092022289
公開日2010年6月23日 申請日期2009年9月23日 優先權日2009年9月23日
發明者吳健康 申請人:吳健康