一种虚拟现实头盔的头部运动捕捉装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种虚拟现实头盔的头部运动捕捉装置，包括：头带固定器和姿态捕捉电路；其中，所述姿态捕捉电路包括；9轴姿态检测模块，用于检测佩戴者的头部的姿态角信息；超声波测距模块，用于检测所述佩戴者的头部与墙壁之间的相对位移；无线传输模块；以及控制器，所述控制器的输入端分别与所述9轴姿态检测模块以及所述超声波测距模块相连，所述控制器的输出端与所述无线传输模块连接；所述控制器从所述超声波测距模块接收所述相对位移，从所述9轴姿态检测模块接收所述姿态角信息，并将所述姿态角信息和所述相对位移通过所述无线传输模块发送给头戴显示器。
【专利说明】
一种虚拟现实头盔的头部运动捕捉装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及虚拟现实领域，特别涉及一种虚拟现实头盔的头部运动捕捉装置。
【背景技术】
[0002]虚拟现实头盔利用头盔显示器将人对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感。具有小巧和封闭性强的特点，在3D视频，虚拟现实游戏，虚拟旅游，军事训练，虚拟驾驶，虚拟城市等全浸入式体验中具有广泛的应用。
[0003]头部运动捕捉装置用于反馈头部运动信息，是虚拟现实头盔的关键组成部件。运动捕捉技术比较常见的是机械式运动捕捉和基于视频式运动捕捉两种方式。机械式运动捕捉是利用带传感器的刚性结构或运动关节实时测量人体的运动姿态。基于视频的运动捕捉则需要使用外挂的摄像机实时拍摄人体的动作，然后通过做视频数据处理分析出人体的运动轨迹。
[0004]目前，市面上已存在的虚拟现实头盔的头部运动捕捉基本都是采用上述两类技术。以美国oculus公司为代表的桌面式虚拟现实头盔。其头部运动捕捉装置采用摄像头和运动传感器相结合的方式，利用摄像头捕捉头部的运动轨迹，利用运动传感器捕捉头部姿态角。这种方式的不足之处在于:1、集成度低且成本高，需要添加外置摄像头，并配备桌面电脑处理视频数据;2、易受环境干扰，捕捉过程中摄像头与人头部之间不能有其他物体遮挡。
[0005]另外一类是以韩国三星公司的GearVR为代表的移动端虚拟现实头盔。它利用手机外接与人体头部刚性连接的惯性传感器，或者有些国内公司直接使用手机自带的传感器，来实现头部运动的捕捉。这种方式的局限性也是显而易见的，惯性传感器只能测量头部姿态角度，无法反馈头部前、后、左、右移动时的位移。这对于虚拟现实的体验而言，是有明显缺失的。
【实用新型内容】
[0006]为了克服以上不足，本实用新型第一方面提供了一种虚拟现实头盔的头部运动捕捉装置，包括:头带固定器和姿态捕捉电路;其中，所述姿态捕捉电路包括;9轴姿态检测模块，用于检测佩戴者的头部的姿态角信息;超声波测距模块，用于检测所述佩戴者的头部与墙壁之间的相对位移;无线传输模块；以及控制器，所述控制器的输入端分别与所述9轴姿态检测模块以及所述超声波测距模块相连，所述控制器的输出端与所述无线传输模块连接;所述控制器从所述超声波测距模块接收所述相对位移，从所述9轴姿态检测模块接收所述姿态角信息，并将所述姿态角信息和所述相对位移通过所述无线传输模块发送给头戴显示器。
[0007]在一种可能的实现方式中，所述9轴姿态检测模块是9轴惯性传感器。
[0008]在一种可能的实现方式中，所述9轴惯性传感器由单芯片组成。
[0009]在一种可能的实现方式中，所述9轴惯性传感器由6轴单芯片以及3轴磁力计组成。
[0010]在一种可能的实现方式中，所述9轴惯性传感器由3轴陀螺仪、3轴加速度计以及3轴磁力计组成。
[0011]在一种可能的实现方式中，该虚拟现实头盔的头部运动捕捉装置还包括电源模块，所述电源模块用于为所述控制器、所述无线传输模块、所述9轴姿态检测模块以及所述超声波测距模块供电。
[0012]在一种可能的实现方式中，所述电源模块包括锂电池和电源稳压芯片。
[0013]在一种可能的实现方式中，所述头带固定器包括十字交叉的头带以及与所述头带相连的头部姿态捕捉电路固定板。
[0014]在一种可能的实现方式中，所述头部姿态捕捉电路与地面垂直且贴附于所述固定板平面上。
[0015]在一种可能的实现方式中，所述超声波测距模块的数量为三个，所述三个超声波测距模块分别位于所述虚拟现实头盔外壳的正前方，正上方和右侧方，分别用于检测所述佩戴者的头部的正面、侧面与顶面与墙壁之间的相对位移。
[0016]本实用新型第二方面提供了一种虚拟现实头盔，包括:外壳、头戴显示器和头部运动捕捉装置，所述头部运动捕捉装置采用本实用新型第一方面提供的头部运动捕捉装置。
[0017]本实用新型与现有技术相比，具有以下优点:1、由于无需添加外置摄像头，也无需配备桌面电脑处理视频数据，因而集成度高且成本低，并且在捕捉过程中不易受环境干扰。
2、由于采用9轴姿态检测模块和超声波测距模块，因而不仅能够测量头部姿态角度，还能够反馈头部前、后、左、右移动时的位移。3、具有高集成度、抗干扰性和跨平台性。
【附图说明】
[0018]图1:是本实用新型的头部运动捕捉装置的硬件结构框图；
[0019]图2:是本实用新型的头戴固定装置；
[0020]图3:是本实用新型超声波测量头部相对位移示意图；
[0021 ]图4:是本实用新型中超声波定位控制方法；
[0022]图5:是本实用新型的9轴姿态检测模块实现形式I;
[0023]图6:是本实用新型的9轴姿态检测模块实现形式2;
[0024]图7:是本实用新型的9轴姿态检测模块实现形式3;
[0025]图8:是本实用新型的运动姿态捕捉控制时序图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型。而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0027]参照图1，本实用新型提供一种虚拟现实头盔的头部运动捕捉装置，包括:头带固定器7和姿态捕捉电路9;其中，所述姿态捕捉电路9包括:9轴姿态检测模块I，用于检测佩戴者的头部的姿态角信息;超声波测距模块2，用于检测所述佩戴者的头部与墙壁之间的相对位移;无线传输模块3;以及控制器4，所述控制器4的输入端分别与所述9轴姿态检测模块I以及所述超声波测距模块2相连，所述控制器4的输出端与所述无线传输模块3连接;所述控制器4从所述超声波测距模块2接收所述相对位移，从所述9轴姿态检测模块I接收所述姿态角信息，并将所述姿态角信息和所述相对位移通过所述无线传输模块3发送给头戴显示器
5。优选地，所述控制器4将所述超声波测距模块2和所述9轴姿态检测模块I传输来的运动姿态数据打包成HID格式;所述无线传感模块3再将所述控制器4编码后的HID格式数据发送给头戴显示器5。其中，控制器4优选为微控制器。
[0028]在一实施例中，所述头带固定器7包括一种十字交叉的头带8以及与所述头带8相连的头部姿态捕捉电路9的固定板10，头部姿态捕捉电路9与地面垂直且贴附于所述固定板10的平面上，如图2所示。
[0029]在一实施例中，所述控制器4优选为低成本、低功耗的MCU，例如C8051单片机或是ARM cortex M系列的芯片。
[0030]在一实施例中，本实用新型的虚拟现实头盔的头部运动捕捉装置还可以包括电源模块6。优选地，电源模块6可以采用18650锂电池和电源稳压芯片AMSl 117，为后续电路提供稳定的电压和充足的电流。当然，本领域技术人员可以理解，电源模块4也可以采用其他能够为电路提供稳定的电压和充足电流的实现方式。
[0031]在一实施例中，虚拟现实头盔的头部运动捕捉装置内集成了三个超声波测距模块2，所述三个超声波测距模块2分别位于虚拟现实头盔外壳的正前方、正上方和右侧方，在佩戴者戴上该虚拟现实头盔的情况下，这三个超声波测距模块2可以分别置于佩戴者的头部的正面、侧面与顶面，以分别检测佩戴者的头部的正面、侧面与顶面与墙壁之间的相对位移。具体而言，本实用新型采用时间差测距法来检测上述的相对位移，测距公式为:L = CXt，其中L为测量的距离长度，C为超声波在空气中的传播速度，t为测量距离传播的时间差，也就是发送到接收时间数值的一半。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距墙面的距离(S)，即:s = 340t/2，tl，t2，t3分别表示三个超声波模块向x，y，z三个方向测量从头部到墙壁的声波延迟时间。
[0032]在一实施例中，所述超声波定位控制方法从控制器初始化开始，进入定时中断。设定定时初始化，然后发射超声波并检测是否发射完毕，若未结束，则继续发射;若结束，则停止发射并退出定时中断。超声波测距模块接收器判断有无回波信号，若无则返回定时中断，重新开启定时中断;若有则完成控制，如图4所示。
[0033]9轴惯性传感器的实现方式有多种，可以更具应用场景的需要灵活选择。举例而言，如图5所示，9轴惯性传感器由单芯片MPU9150组成。如图6所示，9轴惯性传感器由6轴单片机MPU6050加上3轴磁力计HMC5983组成。如图7所示，9轴惯性传感器使用3轴陀螺仪芯片MPU3050、3轴加速度计ADXL346芯片和3轴磁力计HMC5983芯片。
[0034]在一实施例中，所述无线收发模块优选为支持蓝牙BLE4.0的芯片或支持WIFI的芯片。当然，无线收发模块也可以选择其他的无线通信模块。
[0035]在一实施例中，控制器在5s内接收到上位机(用户)发送过来的信号就将定时器重新定时，并继续读取9轴惯性传感器值向上位机发送数据。判断信号，如果上位机向控制器发送启动信号就将9轴惯性传感器设置成工作模式并再次定时5s。启动定时器，在定时时间内读取9轴惯性传感器数据值并连续向上位机发送数据，如图8所示。具体实现步骤示例如下:
[0036]步骤I:定时器计时5秒；
[0037]步骤2:通过SPII接口读取9轴惯性传感器数值；
[0038]步骤3:通过SPI2接口读取超声波测距模块的测量距离；
[0039]步骤4:通过定时器以500Hz向上位机发送数据；
[0040]步骤5:对控制器发送使能信号；
[0041 ]步骤6:将9轴惯性传感器设置成休眠状态；
[0042]步骤7:将超声波测距模块设置成休眠状态；
[0043]步骤8:对控制器发送信号；
[0044]步骤9:将9轴惯性传感器设置成工作模式；
[0045]步骤10:将超声波测距模块设置成工作模式；
[0046]步骤11:定时器计时5秒，在定时时间内读取9轴惯性传感器和超声波测距模块的测量数值，并连续向上位机发送。
[0047]本实用新型与现有技术相比，具有以下优点:
[0048]1、由于无需添加外置摄像头，也无需配备桌面电脑处理视频数据，因而集成度高且成本低，并且在捕捉过程中不易受环境干扰。
[0049]2、由于采用9轴姿态检测模块和超声波测距模块，因而不仅能够测量头部姿态角度，还能够反馈头部前、后、左、右移动时的位移。
[0050]3、具有高集成度、抗干扰性和跨平台性。具体而言，高集成度体现在超声波测距模块与9轴姿态检测模块这两个模块可以集成在单PCB板上，从而完成位移和姿态角的测量，而不需要添加任何外设。抗干扰性体现在超声波是可以跨越障碍物，因此可以屏蔽掉人与墙壁之间是否存在障碍物的影响。跨平台性则体现在输入输出接口采用无线收发模块，这样可以避免使用usb的有线连接方式，从而可以实现X86桌面平台，安卓平台或者苹果的1S平台等跨平台的连接，大大增加了装置的通用性。
[0051]本说明书实施所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
【主权项】
1.一种虚拟现实头盔的头部运动捕捉装置，其特征在于，包括: 头带固定器；以及 姿态捕捉电路， 其中，所述姿态捕捉电路包括: 9轴姿态检测模块，用于检测佩戴者的头部的姿态角信息； 超声波测距模块，用于检测所述佩戴者的头部与墙壁之间的相对位移； 无线传输模块；以及 控制器，所述控制器的输入端分别与所述9轴姿态检测模块以及所述超声波测距模块相连，所述控制器的输出端与所述无线传输模块连接;所述控制器从所述超声波测距模块接收所述相对位移，从所述9轴姿态检测模块接收所述姿态角信息，并将所述姿态角信息和所述相对位移通过所述无线传输模块发送给头戴显示器。2.根据权利要求1所述的头部运动捕捉装置，其特征在于，所述9轴姿态检测模块是9轴惯性传感器。3.根据权利要求2所述的头部运动捕捉装置，其特征在于，所述9轴惯性传感器由单芯片组成;或者 所述9轴惯性传感器由6轴单芯片以及3轴磁力计组成;或者 所述9轴惯性传感器由3轴陀螺仪、3轴加速度计以及3轴磁力计组成。4.根据权利要求1所述的头部运动捕捉装置，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块用于为所述控制器、所述无线传输模块、所述9轴姿态检测模块以及所述超声波测距模块供电。5.根据权利要求4所述的头部运动捕捉装置，其特征在于，所述电源模块包括锂电池和电源稳压芯片。6.根据权利要求1至5中任一项所述的头部运动捕捉装置，其特征在于，所述头带固定器包括十字交叉的头带以及与所述头带相连的头部姿态捕捉电路固定板。7.根据权利要求6所述的头部运动捕捉装置，其特征在于，所述头部姿态捕捉电路与地面垂直且贴附于所述固定板平面上。8.根据权利要求1至5中任一项所述的头部运动捕捉装置，其特征在于，所述超声波测距模块的数量为三个，所述三个超声波测距模块分别位于所述虚拟现实头盔外壳的正前方、正上方和右侧方，分别用于检测所述佩戴者的头部的正面、侧面与顶面与墙壁之间的相对位移。9.一种虚拟现实头盔，其特征在于，包括:外壳、头戴显示器和头部运动捕捉装置， 所述头部运动捕捉装置采用权利要求1至8中任一项所述的头部运动捕捉装置。
【文档编号】G06F3/01GK205486161SQ201620017789
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月8日
【发明人】余乐, 韩巍
【申请人】北京永利范思科技有限公司