专利名称：运动追踪方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明公开了一种轨迹追踪技术，尤其是指一种利用惯性感测以检测运动状态的 运动追踪方法与系统。
背景技术：
随着科技的进步，物体追踪及轨迹还原技术的应用也越来越广泛，例如车祸过程 还原、飞行器导航及轨迹运算、定位辅助、游戏控制器等。而在物体追踪及轨迹还原技术中， 需要知道物体旋转的角度及移动距离，而惯性量测单元常应用在这个技术上。传统物体追踪及轨迹还原系统大都由惯性量测单元(Inertial Measurement Units)组成，而惯性量测单元的组成一般为陀螺仪(gyroscope)、加速度计 (accelerometer)以及磁性罗盘(magnetic compass)。其中，陀螺仪可以量测角速度，通常 用来计算物体旋转的角度；加速度计可以量测加速度，通常用来计算物体移动的距离；磁 性罗盘可以量测绝对方位进而得到物体转动的角度。在现有技术中，如美国公开申请案US. Pub. No. 2008/0046214所公开的一种传感 器系统，其系利用陀螺仪、加速度计以及磁性罗盘的组合以检测关于物体的方位以及运动 状态。此外，美国专利US. Pat. No. 4，038，527也公开一种利用陀螺仪与加速度计组合以检 测物体运动状态与方位的技术。另外，US. Pat. No. 6，842，991也分别公开一种利用陀螺仪 与磁性罗盘的组合以检测方位的技术。不过由于陀螺仪的价格太高，所以不能大量被应用 在日常生活中，而磁性罗盘则容易受到周遭电子设备的干扰。因此在美国专利US. Pat. No. 5，615，132则公开一种利用六个线性加速度计以检 测物体的位置与方位的技术。在该技术中，利用六个加速度计以检测物体在三度空间的 运动状态与方位。如果是利用四个的话，则检测物体在二维空间中的运动状态与方位。 此外，Chen等人也提出利用六个线性加速度计以检测运动状态的技术”Gyroscope free s trap down inertial measurement unit by six linear accelerometers", (Journal of Guidance,Control, and Dynamics 1994 0731-5090 vol. 17 no. 2 085190))。在该技术中， 六个加速度计分别配置在正四面体各侧边的中心位置，每一个加速度计需要有固定的位置 与固定的方向，以利检测物体的状态与位置。
发明内容
本发明解决的技术问题在于，提供一种运动追踪方法与系统，利用至少三颗加速 度计组成的惯性量测单元来追踪物体移动的距离及物体3D旋转的角度且不使用陀螺仪及 磁性罗盘的辅助来计算角度。建构一个单纯由加速度计所构成的惯性量测系统来进行物体 运动轨迹追踪，可以减少成本并可以避免电子设备的干扰。本发明提供了一种运动追踪方法，其包括下列步骤提供至少三个加速度计，其设 置于一物体上，相邻的加速度计间设定有一相对位置；根据该至少三个加速度计所分别具 有的第一位置以及对应该第一位置所具有的加速度值，以外插法计算一特定时间差后，该至少三个加速度计所分别具有的第二位置；根据各加速度计的相对位置校正该第二位置， 使得每一加速度计具有一校正位置；根据该校正位置与每一加速度计所具有的一初始位置 决定一转换矩阵；以及根据该转换矩阵得到该物体的旋转角度。本发明还提供了一种运动追踪系统，包括至少三个以上加速度计，其设置于一可 动物体上，相邻的加速度计间设定有一相对位置，每一个加速度计可根据该可动物体的移 动状态得到对应的一加速度信号；以及一控制单元，其分别与该至少三个加速度计电讯连 接，该控制单元根据该至少三个加速度计所分别具有的第一位置及该至少三个加速度的信 号，以外插法计算一特定时间差后，该至少三个加速度计所分别具有的第二位置，根据每一 加速度计间的相对位置校正该第二位置，使得每一加速度计具有一校正位置，根据该校正 位置与每一加速度计所具有的一初始位置决定一转换矩阵，根据该转换矩阵得到该物体的 旋转角度。
图1为依据一实施例的运动追踪系统示意图；图2为依据一实施例的运动追踪系统设置于物体上示意图；图3A至图3D为加速度计排列实施态样示意图；图4为依据一实施例的运动追踪方法流程示意图；图5A为依据一实施例的计算移动位置示意图；图5B为经过校正演算之后所得到的校正位置示意图；图6为根据初始位置以及校正位置的关系以得到转换矩阵流程示意图。其中，附图标记2-运动追踪系统 20 22-加速度计23-控制单元3-运动追踪方法30 36-步骤350 ；352_ 步骤90-可动物体
具体实施例方式下文特举若干实施范例以将可实施的装置的相关细部结构以及设计的理念缘由 进行说明，以使得审查委员可以了解本发明的特点，详细说明陈述如下提供一种运动追踪方法与系统，利用至少三颗加速度计组成的惯性量测单元来追 踪物体移动的距离及物体3D旋转的角度且不使用陀螺仪及磁性罗盘的辅助来计算角度。 建构一个单纯由加速度计所构成的惯性量测系统来进行物体运动轨迹追踪，可以减少成本 并可以避免电子设备的干扰。请参阅图1所示，该图为依据一实施例的运动追踪系统示意图。该运动追踪系统 2包括有至少三个加速度计20、21与22，其分别与一控制单元23电讯连接。每一个加速度 计20、21与22可以为一三维加速度计、二维或者是一维加速度计，其选择可根据需求而定。 例如如果追踪物体在空间的运动轨迹则可以选择三维加速度计，如果是追踪物体在平面 或者是直线上的运动轨迹，则可以根据需要选择二维或者是一维的加速度计。如图2所示，在本实施例中，该三个加速计20 22配置于一可动物体90上，而且每一个加速度计20 22为一三维加速度计。该控制单元23设置于该可动物体90上以接 收该三个加速度计20 22所感测到的加速度信号，并且根据该信号利用外插法以及数值 校正(例如最小平方法)及向量转换的方法求得物体移动距离跟旋转角度。图2的加速 度计20 22与控制单元23为有线连接，不过在另一实施例中，该加速度计20 22可以 利用无线传输的方式将加速度信号传递至该控制单元23以进行运算处理，该控制单元可 设置于可动物体90上或者是与可动物体90分离配置。至于加速度计的数量与排列关系是 根据需要而定，并不以例示的三个与三角形为限。例如图3A至图3D所示，其为加速度计排 列实施态样示意图。图3A的加速度计呈三角形排列、图:3B则为五边形排列，根据在图3A 与图:3B的公开中，加速度计在平面上的排列可以为多边形的排列。如图3C与图3D所示， 该加速度计在空间上的排列可以呈现多面体的排列方式，相邻的加速度计间设定有一相对 位置。请参阅图4所示，该图为依据一实施例的运动追踪方法流程示意图。以图2的系统 实施例来说明，该方法3包括有下列步骤，首先以步骤30提供三个加速度计20 22，其设 置于一物体90上，每一个加速度计20 22为一三维加速度计。接着进行步骤31，对该三个 加速度计20 22进行初始化的步骤。在初始化的过程主要是对加速度计每一个感测轴向 一致性进行一致性校正程序，此外，并对每一个加速度计20 22所具有的初速度以及坐标 位置予以设定，以作为将来追踪运动轨迹的基准。其中，校正感测轴向一致性的原因在于， 由于每一个加速度计在设置于物体上时，每一个感测轴向并不会完全对应一致，例如以图 2为例，加速度计20的X轴向与加速度计21的X轴向在设置的时候不一定会完全平行，因 此在一致性的过程中主要是以线性转换的方式来对加速度计感测轴向进行校正，使每一个 加速度计的值都是以第一颗加速度计20的轴为基底。线性转换的方式，以其中一个加速度计作为基础，如在图2中，以加速度计20作为 基础，求得加速度计21与22与加速度计20间的线性转换矩阵Tsi ^ (或Tsi—B)，其中B代表 加速度计20所具有的基准坐标系，Si则代表每一个加速度计所具有的坐标系统。使得加速 度计的读值乘上了该线性转换矩阵Tsi^ (或Ts^)后(如下式(1)所示)，可以得到各感测 轴向一致的加速度值。在做法上，先在物体90静止的时候(例如物体放正面，直立，横放时)取得每一个加速度计的读值，每一个加速度计i的读值可以表示成G-i,j，其为一 3x1的向 量，此处的j是指例如上述的物体正摆、直立或横放的摆放位置。因此
权利要求
1.一种运动追踪方法，其特征在于，包括下列步骤提供至少三个加速度计，其设置于一物体上，相邻的加速度计间设定有一相对位置； 根据该至少三个加速度计所分别具有的第一位置以及对应该第一位置所具有的加速 度值，以外插法计算一特定时间差后，该至少三个加速度计所分别具有的一第二位置； 根据每一加速度计间的相对位置校正该第二位置，使得每一加速度计具有一校正位置；根据该校正位置与每一加速度计所具有的一初始位置决定一转换矩阵；以及 根据该转换矩阵得到该物体的旋转角度。
2.如权利要求1所述的运动追踪方法，其特征在于，每一加速度计为一三轴加速度计。
3.如权利要求1所述的运动追踪方法，其特征在于，该校正的方法为最小平方法。
4.如权利要求1所述的运动追踪方法，其特征在于，决定该转换矩阵还包括有下列步骤根据每一个加速度计所具有的该初始位置决定一第一初始向量、一第二初始向量以及 与该第一初始向量以及该第二初始向量正交的一第一初始正交向量；根据每一个加速度计所具有的校正位置决定一第一校正向量、一第二校正向量以及与 该第一校正向量以及该第二校正向量正交的一第二正交向量；以及根据该第一初始向量、第二初始向量以及该第一初始正交向量所形成的第一矩阵以及 该第一校正向量、第二校正向量以及该第二正交向量所形成的一第二矩阵，决定该转换矩 阵。
5.如权利要求1所述的运动追踪方法，其特征在于，得到该物体的旋转角度还包括有 下列步骤根据该物体相对于第三轴、第二轴以及第一轴的转角决定一物体转角关系；以及 根据该物体转角关系以及该转换矩阵，以一演算程序决定出该物体相对于该第三轴、 第二轴以及第一轴的转角。
6.如权利要求1所述的运动追踪方法，其特征在于，每一个加速度计所具有的加速度 值为该加速度计所感测到的加速度信号经过一致性校正所得到的加速度值与根据该时间 点下所具有的校正位置与该初始位置所得到的该转换矩阵的乘积。
7.如权利要求6所述的运动追踪方法，其特征在于，该一致性校正还包括有下列步骤 选择其中的一加速度计为基准；以及决定每一加速度计与该基准的加速度计间的一线性转换矩阵； 以该线性转换矩阵校正每一加速度计感测轴向。
8.一种运动追踪系统，其特征在于，包括至少三个以上加速度计，其设置于一可动物体上，相邻的加速度计间设定有一相对位 置，每一个加速度计根据该可动物体的移动状态得到对应的一加速度信号；以及一控制单元，其分别与该至少三个加速度计电讯连接，该控制单元根据该至少三个加 速度计所分别具有的第一位置及该至少三个加速度的信号，以外插法计算一特定时间差 后，该至少三个加速度计所分别具有的一第二位置，根据每一加速度计间的相对位置校正 该第二位置，使得每一加速度计具有一校正位置，根据该校正位置与每一加速度计所具有 的一初始位置决定一转换矩阵，根据该转换矩阵得到该物体的旋转角度。
9.如权利要求8所述的运动追踪系统，其特征在于，每一个加速度计为三轴加速度计。
10.如权利要求8所述的运动追踪系统，其特征在于，该校正的方法为最小平方法。
11.如权利要求8所述的运动追踪系统，其特征在于，该控制单元根据该物体相对于第 三轴、第二轴以及第一轴的转角决定一物体转角关系，以及根据该物体转角关系以及该转 换矩阵，以一演算程序决定出该物体相对于该第三轴、第二轴以及第一轴的转角。
12.如权利要求11所述的运动追踪系统，其特征在于，该物体转角关系为该物体相对 于该第三轴、第二轴以及第一轴转角的正弦与余弦函数的关系组合所形成的矩阵。
13.如权利要求8所述的运动追踪系统，其特征在于，该至少三个加速度计排列成平面 多边形或者是空间多面体。
14.如权利要求8所述的运动追踪系统，其特征在于，每一个加速度计所具有的加速度 值为该加速度计所感测到的加速度信号经过一致性校正所得到的加速度值与根据该时间 点下所具有的校正位置与该初始位置所得到的该转换矩阵的乘积。
15.如权利要求14所述的运动追踪系统，其特征在于，该一致性校正还包括有下列步骤选择其中的一加速度计为基准；以及决定每一加速度计与该基准的加速度计间的一线性转换矩阵； 以该线性转换矩阵校正每一加速度计感测轴向。
全文摘要
本发明公开了一种运动追踪方法与系统，利用至少三个加速度计所组合而成具有一自定结构的架构来追踪物体运动的轨迹。利用加速度计所感测到的加速度信号，以外插法、数值校正及向量转换，得到物体的轨迹、位移及旋转角度。方法包括提供至少三个加速度计，设置于一物体上，相邻的加速度计间设定有一相对位置；根据该至少三个加速度计所分别具有的第一位置及对应该第一位置所具有的加速度值，以外插法计算一特定时间差后，该至少三个加速度计所分别具有的第二位置；根据各加速度计的相对位置校正该第二位置，使每一加速度计具有一校正位置；根据该校正位置与每一加速度计所具有的一初始位置决定一转换矩阵；根据该转换矩阵得到该物体的旋转角度。
文档编号G01C21/16GK102042833SQ200910151299
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月9日 优先权日2009年10月9日
发明者刘炳传, 易志伟, 苏钊民, 蒋村杰, 蔡文添, 黄俊龙 申请人:财团法人工业技术研究院