专利名称：头部姿态感应装置和方法
技术领域：
本发明涉及运动中的人体头部姿态检测，更具体地，是一种头部姿态感应装置和方法。
背景技术：
在医疗康复、运动训练和娱乐领域，常常需要获取参与者头部的运动状态和运动参数，以满足不同需要，例如，用于头颈部的康复矫正、为训练者提供训练结果或者在娱乐游戏中用头部姿态进行控制等。对于头部运动状态和运动参数的获取，可通过在使用者佩戴的头盔上设置三维运动跟踪系统而实现，然后对这些跟踪系统测得的数据进行处理，并输送到不同的界面，例如显示器。传统的三维跟踪系统包括电磁跟踪系统、光学跟踪系统、机械跟踪系统、声学跟踪系统等。例如，授权公告号为CN100559874C的中国发明专利“基于全方位视觉传感器的头盔”提供了一种解决方案。该方案中，在头盔本体的顶部设置有全方位视觉传感器，一个微处理器与该全方位视觉传感器相连接，用于接收和处理全方位视觉传感器的视频数据。该全方位视觉传感器包括外凸折反射镜、摄像头等。上述跟踪系统，在具体应用中各有一些局限性。例如，电磁跟踪系统容易受外界磁场干扰，可能因磁场变化引起误差。而如上述文献所用的光学跟踪系统容易受实现阻挡，除此之外，光学跟踪系统常常不同提供角度方向上的数据。机械跟踪系统的特点是比较笨重，灵活性差，而且有一定的惯性，并且由于机械连接的限制，对用户有一定的机械束缚。声学跟踪系统的局限性在于工作范围有限，信号传输不能受遮挡，且易受温度、气压、湿度和环境反射声波的影响。因此，需要一种创新的头部姿态检测方案，以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的，在于克服现有的头部姿态检测方案中的上述不足，从而提供了一种新的头部姿态检测装置和方法。本发明的头部姿态感应装置，包括惯性传感器检测单元，与该惯性传感器检测单元相连接的模数转换单元，与该模数转换单元相连接的信息处理单元，该信息处理单元连接有输入单元和输出单元，其中所述惯性传感器检测单元包括惯性传感器，用于对头部姿态信息进行检测，并输出该头部姿态信息的模拟信号；所述模数转换单元包括模数转换器，用于将所述惯性传感器检测的模拟信号转换为头部姿态信息的数字信号；所述信息处理单元用于对所述头部姿态信息的数字信号进行计算，得出运动状态数据和运动参数数据，并将该运动状态数据和运动参数数据传输给所述输出单元；所述输入单元用于将控制指令输送给所述信息处理单元。
优选地，所述运动状态数据包括头部伸缩数据，头部转动数据、点头数据、摇头数据和静止数据，所述运动参数数据包括头部运动频率数据、头部运动速度数据和头部运动角度数据。优选地，所述惯性传感器为加速度计、陀螺仪以及倾角传感器中的一种或多种。优选地，所述信号处理单元连接有信号发送单元，所述信号发送单元用于将所述运动状态数据和头部运动数据作为控制信号发送给外部设备，所述外部设备为车辆、船只、飞机中的一种或多种。本发明的头部姿态感应方法，包括以下步骤a，利用惯性传感检测单元对头部姿态信息进行检测，并输出该头部姿态信息的模拟信号；b，将所述惯性传感器检测的模拟信号转换为头部姿态信息的数字信号；C，对所述头部姿态信息的数字信号进行计算，得出运动状态数据和运动参数数据，并将该运动状态数据和运动参数数据传输给输出单元。优选地，所述步骤a中，所述惯性传感检测单元输出的头部姿态信息的模拟信号包括头部在空间坐标x、Y、z方向上的加速度模拟信号，所述步骤b中，所述头部姿态信息的数字信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数字信号；所述步骤c中，对所述头部姿态信息的数字信号进行计算的步骤，包括对空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数字信号分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据为头部运动方向数据，所述运动参数数据为头部侧倾的速度数据和头部倾斜角度数据。优选地，所述步骤a中，所述惯性传感检测单元输出的头部姿态信息的模拟信号包括头部在空间坐标x、Y、z方向上的角速度模拟信号，所述步骤b中，所述头部姿态信息的数字信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的角速度数字信号；所述步骤c中，对所述头部姿态信息的数字信号进行计算的步骤，包括对空间坐标X、Y、Z方向上的角速度数字信号分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据为头部在各方向上的转动状态数据，所述运动参数数据为头部运动角度数据和速度数据。优选地，所述步骤a中，所述惯性传感检测单元输出的头部姿态信息的模拟信号包括头部在空间坐标x、Y、z方向上的加速度和角速度模拟信号，所述步骤b中，所述头部姿态信息的数字信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度和角速度数字信号；所述步骤c中，对所述头部姿态信息的数字信号进行计算的步骤，包括对空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数字信号和角速度数字信号分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据为头部运动方向数据和头部在各方向上的转动状态数据，所述运动参数数据为头部运动的速度数据和角度数据。优选地，在所述步骤c中，还包括根据所述加速度数字信号，判断头部是否发生撞击。优选地，在所述步骤c中，还包括根据所述头部运动方向数据，判断是否发生跌倒。利用本发明的头部运动姿态感应装置和方法，能够稳定高效地对头部的各种运动状态进行判断，并获取头部的运动参数。
图1为本发明的头部姿态感应装置的组成示意图；图2为本发明的头部姿态感应方法的流程图；图3为本发明的头部姿态感应装置佩戴于人体头部的示意图。
具体实施例方式以下结合附图，对本发明的头部姿态感应装置和方法的结构、流程及工作原理进行详细说明。如图1所示，是本发明的头部姿态感应装置的组成示意图。该头部姿态感应装置可设置于头盔本体，当使用者I佩戴装设有本发明的头盔2后(如图3所示)，即可对其头部的运动姿态进行检测。具体地，如图所示，本发明的头部姿态感应装置，包括惯性传感器检测单元100，与惯性传感器检测单元100相连接的模数转换单元200，与模数转换单元200相连接的信息处理单元300，信息处理单元300连接有输入单元400和输出单元500。其中，惯性传感器检测单元100包括惯性传感器，用于对头部姿态信息进行检测，并输出该头部姿态信息的模拟信号；模数转换单元200包括模数转换器，用于将所述惯性传感器检测的模拟信号转换为头部姿态信息的数字信号；信息处理单元300用于对上述经模数转换后的头部姿态信息的数字信号进行计算，得出运动状态数据和运动参数数据，并将该运动状态数据和运动参数数据传输给输出单元500 ;另外，输入单元400用于将控制指令输送给信息处理单元300。惯性传感器检测单元100中所使用的惯性传感器可以为加速度计、陀螺仪以及倾角传感器中的一种或多种。加速度计可用于检测头部运动时的加速度，陀螺仪和倾角传感器可用于检测头部运动时的角速度。模数转换单元200可采用常规的模数转换器件。信息处理单元300可以采用常规的信息处理模块，例如CPU，也可以采用专用的数字信号处理器等数字信号处理芯片。输入单元400输入的控制指令包括开启、关闭、重启、模式切换等指令，用于对信息处理单元300的状态进行控制。输入单元可通过有线或无线数据传输方式，例如采用串口有线通信或RF无线射频识别通信技术，将控制指令传输给信息处理单元。另外，本发明的头部姿态感应装置还包括常规的电源供应单元，用于为各个组件提供电源供应。上述由信息处理单元300计算得出的运动状态数据，包括头部伸缩数据，头部转动数据、点头数据、摇头数据和静止数据，所述运动参数数据包括头部运动频率数据、头部运动速度数据和头部运动角度数据等。因此，当使用者佩戴装载有本发明头部姿态感应装置的头盔后，可以全方位地反映出头部的真实运动情况。优选地，信号处理单元300还连接有信号发送单元600，信号发送单元600可以是各种适用的无线或有线的信号发送设备，用于将所述运动状态数据和头部运动数据作为控制信号发送给外部设备，所述外部设备为车辆、船只、飞机中的一种或多种。例如，利用本发明的头部姿态感应装置所测得的头部姿态，可以作为方向控制信号，经过信号发送单元600发送给这些设备，从而用头部运动的运动状态和运动参数来控制车辆、船只、飞机或其他需要方向控制的设备的行进方向，如左右转弯、前进后退、定速巡航等。如图2所示，为与上述的头部姿态感应装置相对应的头部姿态感应方法的流程图。具体地，如图所示，在步骤SlOO中，利用惯性传感检测单元对头部姿态信息进行检测，并输出该头部姿态信息的模拟信号。在步骤S200中，将惯性传感器检测的模拟信号转换为头部姿态信息的数字信号。在步骤S300中，对头部姿态信息的数字信号进行计算，得出运动状态数据和运动参数数据，并将该运动状态数据和运动参数数据传输给输出单元。以下通过不同的实施方式，并结合图1-3，对本发明的头部姿态感应方法进行详细说明。实施方式1，仅利用加速度信号确定头部姿态。结合图3，根据该实施方式，在上述步骤SlOO中，惯性传感检测单元可采用加速度计，其输出的头部姿态信息的模拟信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度模拟信号，在上述步骤S200中，头部姿态信息的数字信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数字信号；在上述步骤S300中，对所述头部姿态信息的数字信号进行计算的步骤，包括对空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数字信号分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据为头部运动方向数据，所述运动参数数据为头部侧倾的速度数据和头部倾斜角度数据。头部运动方向数据，即头部相对于世界坐标的姿态。例如，如从X方向的加速度经积分可以得出头部前进的速度和位移，若速度和位移分别大于某一阈值(如分别为O.1m/s和O.1m)，可以判断出人的头部向该方向运动。另外，从Y、Z方向的加速度经积分可以得出头部侧倾的速度数据和位移，同样可以通过速度和位移与某一阈值的比较，判断出人的头部向该方向运动dfx、Y、z三轴的加速度信号做矢量计算，可得出头部的实际运动方向。若加速度计敏感轴方向上没有平移，仅为绕其它轴进行转动，那从加速度的值即可直接得到头盔相对世界坐标的倾斜角度数据，如IOOmg大约为该方向倾斜9度，利用该特点，可以通过布置加速度计的位置，使其敏感轴方向上没有平移，即可直接得到头盔相对世界坐标倾斜的角度。该角度可进一步作为方向控制信号控制虚拟现实视角或其它设备的方向控制等，如用于控制车辆或其它设备的转弯、前进等方向控制。实施方式2，仅利用角速度信号确定头部姿态。根据该实施方式，在步骤SlOO中，惯性传感检测单元采用陀螺仪，优选地为三轴陀螺仪，其输出的头部姿态信息的模拟信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的角速度模拟信号，在步骤S200中，头部姿态信息的数字信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的角速度数字信号；在步骤S300中，对头部姿态信息的数字信号进行计算的步骤，包括对空间坐标X、Y、Z方向上的角速度数字信号分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据为头部在各方向上的转动状态数据，所述运动参数数据为头部运动角度数据。具体地，通过陀螺仪中的三轴陀螺仪检测到的X、Y、Z方向的角速度，可以得到头部相对于世界坐标的在各方向上的运动状态数据，如设上电时头部为零位状态，从绕X的角速度经积分可以得出头部侧倾的角度；从绕Y的角速度经积分可以得出头部低头或抬头的角度；从绕Z的角速度经积分可以得出头部转动的角度。由于陀螺仪得出的是相对的角速度，多次积分后得到的结果可能饱和，因此需要在初始上电时或隔一段时间对陀螺仪进行标定，以确定其零位状态。实施方式3，同时利用加速度和角速度信号确定头部姿态。根据该实施方式，在步骤SlOO中，所述惯性传感检测单元同时采用加速度传感器(例如加速度计)和角速度传感器(例如三轴陀螺仪)，其输出的头部姿态信息的模拟信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度和角速度模拟信号，在步骤S200中，头部姿态信息的数字信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度和角速度数字信号；在步骤S300中，对头部姿态信息的数字信号进行计算的步骤，包括:对空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数字信号和角速度数字信号分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据为头部运动方向数据和头部在各方向上的转动状态数据，所述运动参数数据为头部运动的速度数据和角度数据。上述头部运动方向数据和头部在各方向上的转动状态数据，可包括头部的伸缩运动、头部的转动、头部的点头运动、头部的摇头运动、头部的静止状态等多种状态判定数据。以下举例说明如何对上述状态进行判断。如通过绕X、Y、Z的角速度和Z方向上的加速度，再结合运动频率和积分后得到的角度，速度和位移，可以判断出头部的伸缩运动，即当X、Y、Z的角速度均小于某一阈值(如10° /S)，而X、Y方向上的加速度也小于某一阈值(如IOOmg)，仅有Z方向上的加速度变化大于某一阈值(如IOOmg)，且Z方向上积分后得到的角度，速度和位移符合人头能够达到的运动范围，可以判断出头部的伸缩运动。通过绕Z的角速度和X、Y、Z方向上的加速度，再结合运动频率和积分后得到的角度，速度和位移，可以判断出头部的转动运动，即当X、Y、Z的加速度变化均小于某一阈值(如IOOmg)，而Χ、Υ方向上的角速度也小与某一阈值(如10° /S)，仅有Z方向上的角速度大于某一阈值(如10° /s)，且Z方向上积分后得到的角度及其变化符合人头能够达到的运动范围，可以判断出头部的转动运动。通过绕Y的角速度和X、Y、Z方向上的加速度，再结合运动频率和积分后得到的角度，速度和位移，可以判断出头部的点头运动，即当X、Y、Z的加速度变化均小于某一阈值(如IOOmg)，而X、Z方向上的角速度也小与某一阈值(如10° /S)，仅有Y方向上的角速度大于某一阈值(如10° /s)，且Y方向上积分后得到的角度及其变化符合人头能够达到的运动范围，可以判断出头部的点头运动。通过绕X的角速度和X、Y、Z方向上的加速度，再结合运动频率和积分后得到的角度，速度和位移，可以判断出头部的摇头运动，即当X、Y、Z的加速度变化均小于某一阈值(如IOOmg)，而Y、Z方向上的角速度也小与某一阈值(如10° /S)，仅有X方向上的角速度大于某一阈值(如10° /s)，且X方向上积分后得到的角度及其变化符合人头能够达到的运动范围，可以判断出头部的摇头运动。同样，通过绕X、Y、Z的角速度和X、Y、Z方向上的加速度，再结合运动频率和积分后得到的角度，速度和位移，可以判断出头部的静止状态，即当X、Y、Z的加速度变化均小于某一阈值(如IOOmg)，而X、Y、Z方向上的角速度也小与某一阈值(如10° /S)，认为头部处于静止状态。以上三个实施方式中，对于运动参数数据而言，头部运动的速度数据可利用测得的加速度进行积分而获取。角度数据可利用角速度的积分而获得，例如采用矩形法积分、梯形法积分等。考虑到实时性，本发明采用梯形法进行近似积分获取速度和角度数据。按照梯形积分的方法，必须获知上一次的瞬时速度值。由于需要的是相对角度值，因此由角速度信号积分得到角度信号时，不需要获知上一次的瞬时角度值。一个示例性的计算公式如下:
权利要求
1.一种头部姿态感应装置，其特征在于，包括惯性传感器检测单元，与该惯性传感器检测单元相连接的模数转换单元，与该模数转换单元相连接的信息处理单元，该信息处理单元连接有输入单元和输出单元，其中: 所述惯性传感器检测单元包括惯性传感器，用于对头部姿态信息进行检测，并输出该头部姿态信息的模拟信号； 所述模数转换单元包括模数转换器，用于将所述惯性传感器检测的模拟信号转换为头部姿态信息的数字信号； 所述信息处理单元用于对所述头部姿态信息的数字信号进行计算，得出运动状态数据和运动参数数据，并将该运动状态数据和运动参数数据传输给所述输出单元； 所述输入单元用于将控制指令输送给所述信息处理单元。
2.根据权利要求1所述的头部姿态感应装置，其特征在于，所述运动状态数据包括头部伸缩数据，头部转动数据、点头数据、摇头数据和静止数据，所述运动参数数据包括头部运动频率数据、头部运动速度数据和头部运动角度数据。
3.根据权利要求1或2所述的头部姿态感应装置，其特征在于，所述惯性传感器为加速度计、陀螺仪以及倾角传感器中的一种或多种。·
4.根据权利要求1或2所述的头部姿态感应装置，其特征在于，所述信号处理单元连接有信号发送单元，所述信号发送单元用于将所述运动状态数据和头部运动数据作为控制信号发送给外部设备，所述外部设备为车辆、船只、飞机中的一种或多种。
5.一种头部姿态感应方法，其特征在于，包括以下步骤: a，利用惯性传感检测单元对头部姿态信息进行检测，并输出该头部姿态信息的模拟信号; b，将所述惯性传感器检测的模拟信号转换为头部姿态信息的数字信号； C，对所述头部姿态信息的数字信号进行计算，得出运动状态数据和运动参数数据，并将该运动状态数据和运动参数数据传输给输出单元。
6.根据权利要求5所述的头部姿态感应方法，其特征在于， 所述步骤a中，所述惯性传感检测单元输出的头部姿态信息的模拟信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度模拟信号，所述步骤b中，所述头部姿态信息的数字信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数字信号； 所述步骤c中，对所述头部姿态信息的数字信号进行计算的步骤，包括: 对空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数字信号分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据为头部运动方向数据，所述运动参数数据为头部侧倾的速度数据和头部倾斜角度数据。
7.根据权利要求5所述的头部姿态感应方法，其特征在于， 所述步骤a中，所述惯性传感检测单元输出的头部姿态信息的模拟信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的角速度模拟信号，所述步骤b中，所述头部姿态信息的数字信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的角速度数字信号； 所述步骤c中，对所述头部姿态信息的数字信号进行计算的步骤，包括: 对空间坐标X、Y、Z方向上的角速度数字信号分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据为头部在各方向上的转动状态数据，所述运动参数数据为头部运动角度数据和速度数据。
8.根据权利要求5所述的头部姿态感应方法，其特征在于， 所述步骤a中，所述惯性传感检测单元输出的头部姿态信息的模拟信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度和角速度模拟信号，所述步骤b中，所述头部姿态信息的数字信号包括头部在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度和角速度数字信号； 所述步骤c中，对所述头部姿态信息的数字信号进行计算的步骤，包括: 对空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数字信号和角速度数字信号分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据为头部运动方向数据和头部在各方向上的转动状态数据，所述运动参数数据为头部运动的速度数据和角度数据。
9.根据权利要求8所述的头部姿态感应方法，其特征在于， 在所述步骤c中，还包括:根据所述加速度数字信号，判断头部是否发生撞击。
10.根据权利要求8所述的头部姿态感应方法，其特征在于，· 在所述步骤c中，还包括:根据所述头部运动方向数据，判断是否发生跌倒。
全文摘要
本发明提供了一种头部姿态感应装置和方法，该装置包括惯性传感器检测单元，与该惯性传感器检测单元相连接的模数转换单元，与该模数转换单元相连接的信息处理单元，该信息处理单元连接有输入单元和输出单元，其中所述惯性传感器检测单元包括惯性传感器，用于对头部姿态信息进行检测，并输出该头部姿态信息的模拟信号；所述模数转换单元包括模数转换器，用于将所述惯性传感器检测的模拟信号转换为头部姿态信息的数字信号。利用本发明的头部运动姿态感应装置和方法，能够稳定高效地对头部的各种运动状态进行判断，并获取头部的运动参数。
文档编号G01D21/02GK103076045SQ201110327998
公开日2013年5月1日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月25日
发明者兰天, 陈养彬, 方继勇, 王建宽 申请人:上海新世纪机器人有限公司