一种应用于人机交互的位置推算装置及位置推算方法与流程

本发明涉及人机交互领域的姿态识别、位置推算方面，具体涉及一种体感位姿推算并用于人机交互的装置及位置推算方法。

背景技术：

目前，人机交互的三维空间定位装置有两个大类，一是基于计算机视觉的识别，代表产品有微软的kinect，它通过设备上的深度和彩色摄像头来识别位置，但是通过图像识别的方法存在遮挡和范围的问题，如果需要识别的物体摄像机捕捉不到那么就会丢失目标从而导致定位失败；第二就是基于惯性测量单元的人体动作识别，代表产品有任天堂的will，它主要根据传感器的xyz轴的加速度来感知人体动作，但是目前使用惯性测量单元的设备存在一个问题就是支持动作捕捉但是不能实时计算精确位置。

现今虚拟现实技术发展迅猛，但是在人机交互方面，操作设备的位姿定位技术仍然有相当多的局限性，例如：视觉识别的范围有限，无法识别被遮挡设备；惯性测量单元识别的精度不高，使用较低成本的惯性测量单元无法精确的推算位置，如果使用高精度惯性测量单元结合捷联惯导技术可能会有一定效果，但是这样一来成本非常高。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种成本低、且扩展性好的应用于人机交互的位置推算装置及位置推算方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的应用于人机交互的位置推算装置包括外壳体，所述外壳体内设置有电路板，所述电路板上设置有主控芯片、无线芯片以及两个惯性测量单元芯片，两个所述惯性测量单元芯片设置在电路板的斜对角方位，使得两个惯性测量单元芯片在横向与纵向上均错开。

进一步地，根据权利要求所述的一种应用于人机交互的位置推算装置，其特征在于：所述外壳体上设置有电源按钮以及位置初始化按钮，所述电源按钮与位置初始化按钮均电连接所述电路板。

进一步地，根据权利要求所述的一种应用于人机交互的位置推算装置，其特征在于：所述电路板位于所述外壳体的中部位置。

进一步地，根据权利要求所述的一种应用于人机交互的位置推算装置，其特征在于：所述外壳体由第一半壳以及第二半壳组成，两者通过螺钉固定连接。

进一步地，所述外壳体中间细两端粗，且中间部分与两端部分之间平滑过渡。

基于上述应用于人机交互的位置推算装置的位置推算方法，包括如下步骤：

步骤一：所述主控芯片读取两个惯性测量单元芯片的加速度、角速度和磁场强度在xyz轴上的分量；

步骤二：将读取到的加速度、角速度数据输入滤波器中，滤去数据中的高频噪声；

步骤三：使用滤波后的加速度、角速度及未滤波的磁场强度数据计算得到当前时间该装置在东北天坐标系中的欧拉角；

步骤四：利用滤波后的加速度、角速度及欧拉角数据计算得到当前时刻两个惯性测量单元芯片中心点连线的中点位置的线速度；

步骤五：结合欧拉角和中心点的线速度通过积分得到当前时刻装置相对初始点处的位置推算数据。

有益效果：本发明的位置推算装置主要基于两个低成本的微机电惯性测量单元，结构简单、成本低，无其他例如相机、激光等昂贵的额外辅助类器件；此外该装置在无线数据接收范围内没有数量的限制，具有良好的扩展性，可配合虚拟现实设备等需要体感交互外设的接收端使用；基于该位置推算装置的位置推算方法流程精简，计算效率高，其推算出的位置精度较高。

附图说明

附图1为应用于人机交互的位置推算装置的结构图；

附图2为电路板上元器件的布局图；

附图3为基于位置推算装置的位置推算方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1所示的应用于人机交互的位置推算装置，包括外壳体1，所述外壳体1由第一半壳1-1以及第二半壳1-2组成，两者之间通过螺钉固定连接。所述外壳体1内正中位置处安装有电路板4，如附图2所示，所述电路板4上设置有主控芯片4-2、无线芯片4-3以及两个惯性测量单元芯片(imu)4-1，两个所述惯性测量单元芯片4-1设置在电路板4的斜对角位置，使得两个惯性测量单元芯片4-1在电路板4的横向与纵向上均错开，电路板4横平竖直安装在外壳体1内，也即两个惯性测量单元芯片4-1在外壳体1的横向与纵向(附图1中x轴方向与y轴方向)上均错开。

所述外壳体1上设置有电源按钮2以及位置初始化按钮3，所述电源按钮2与位置初始化按钮3均电连接所述电路板2，在使用本发明的位置推算装置前需要按压电源按钮2开启装置的电源，在该装置通过无线芯片4-2与接收端建立连接后按下位置初始化按钮3，位置初始化按钮3用于标定装置的初始位置，之后推算出的位置都以该初始位置为基准。

电路板4上的两个惯性测量单元芯片4-1主要用于采集使用者挥动装置时xyz轴上的加速度、角速度和磁场强度数据，主控芯片4-2主要用于处理两个惯性测量单元芯片4-1采集的数据并计算装置的相对位置和姿态，无线芯片4-3用于与接收端通信并传输数据。

为了使用户使用装置时具有较好的握持手感，所述外壳体1中间细两端粗，且中间部分与两端部分之间平滑过渡，用户使用时手握着外壳体1的中间部分。

本发明的位置推算装置主要是配合虚拟现实设备(vr)、游戏主机等接收端使用，这些接收端的某些游戏或应用是基于与用户的体感交互，需要比较精确获知位置推算装置的实时位置从而按照逻辑给出反馈，使用户的操作都能得到与之匹配的反馈，制造出身临其境的沉浸式体验。

如附图3所示，本发明的软硬件处理流程为：首先主控芯片4-2通过无线芯片4-3与接收端建立连接，如果获取到接收端的应答，则初始化通讯总线与两个imu建立通信，如果通讯建立成功则开始初始化fir滤波器，并开始读取两个惯性测量单元芯片4-1的加速度、角速度和磁场强度在xyz轴上的分量共18个数据，将读取到的加速度、角速度数据输入fir滤波器中，滤去数据中的高频噪声，使用滤波后的加速度、角速度及未滤波的磁场强度数据计算得到当前时间该装置在东北天坐标系中的欧拉角，利用滤波后的加速度、角速度及欧拉角数据计算得到当前时刻两个惯性测量单元芯片4-1中心点连线的中点位置的线速度，结合欧拉角和中心点的线速度通过积分得到当前时刻装置相对初始点处的位置推算数据，最后通过无线芯片4-3将位置推算数据和欧拉角信息发送至接收端，上述计算过程循环进行，使得接收端可以实时获得装置的位置推算数据。

本发明的位置推算装置主要基于两个低成本的微机电惯性测量单元，结构简单、成本低，无其他例如相机、激光等昂贵的额外辅助类器件；此外该装置在无线数据接收范围内没有数量的限制，具有良好的扩展性，可配合虚拟现实设备等需要体感交互外设的接收端使用；基于该位置推算装置的位置推算方法流程精简，计算效率高，其推算出的位置精度较高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种应用于人机交互的位置推算装置及位置推算方法，位置推算装置包括外壳体，外壳体内设置有电路板，电路板上设置有主控芯片、无线芯片以及两个惯性测量单元芯片，两个惯性测量单元芯片设置在电路板的斜对角方位，使得两个惯性测量单元芯片在横向与纵向上均错开。基于该装置的位置推算方法通过读取两个惯性测量单元芯片的加速度、角速度和磁场强度数据并进行简单数据处理即可得到装置的推算位置与欧拉角。本发明的位置推算装置结构简单、成本低，且该装置在无线数据接收范围内没有数量的限制，具有良好的扩展性，可配合虚拟现实设备等接收端使用；基于该位置推算装置的位置推算方法流程精简，计算效率高，其推算出的位置精度较高。

技术研发人员：丁诗泳;徐东冬
受保护的技术使用者：昆山市工研院智能制造技术有限公司;昆山瑞泰智能科技有限公司
技术研发日：2017.12.18
技术公布日：2018.04.20