惯性测量led检测复合型六自由度输入方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种姿态仪，其含有LED标靶和姿态传感器，所述姿态传感器包括重力计、陀螺仪和磁力计；重力计用于检测LED标靶相对重力加速度的姿态角；磁力计用于检测LED标靶相对于地磁场的姿态角；陀螺仪用于检测LED标靶围绕相对于绑定在其上的坐标系三轴的转动角速度。此外，本发明还涉及包括所述姿态仪的六自由度输入方法和系统，作为六自由度输入和定位设备，本发明所述的系统可以与眼睛式显示器结合，实现实时虚拟现实显示，可以用于显示沙盘、虚拟现场、虚拟工件等。
【专利说明】惯性测量LED检测复合型六自由度输入方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明属于人机交互的【技术领域】，更具体的说，本发明涉及一种惯性测量LED检测复合型六自由度输入方法及系统。
【背景技术】
[0002]随着计算机软件的发展，计算机输入变得日趋复杂。输入设备从早期的电路板，到编程纸袋，再到后来的键盘、鼠标，计算机输入方式逐步变得人性化，人机功效得到了前所未有的提闻。
[0003]近年来，计算能力的提高使得三维软件和游戏得到很大的发展，大量的三维建模软件、三维显示软件和三维交互式游戏被开发出来并不断涌入市场。然后，由于输入设备仍主要以鼠标键盘为主，这极大地限制了计算机输入的人机功效和友好性。因此，市场上开始出现基于多自由度的输入设备，多采用摄像机或红外扫描技术，通过侦测特定的图像特征识别人体动作作为计算输入，也有采用惯性测量单元作为体感输入。
[0004]单一地采用摄像机或红外扫描技术导致设备硬件成本居高不下，如常见的微软公司开发的kinect设备，采用双目识别和红外扫描技术，单机成本在千元人民币以上。
[0005]也有方案采用惯性测量单元加红外扫描设备，该方案由于惯性测量单元的设备特性，其输入精度随着使用过程逐渐降低，在附加红外扫描设备后，可减缓输入精度的降低，但也因此增加设备成本，该方案常见的产品为任天堂公司的wii系列游戏机。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种惯性测量LED检测复合型六自由度输入方法及系统。
[0007]本发明的第一方面涉及一种姿态仪，其含有LED标靶和姿态传感器，其特征在于:所述姿态传感器包括重力计、陀螺仪和磁力计；其中，重力计用于检测LED标靶相对重力加速度的姿态角；磁力计用于检测LED标靶相对于地磁场的姿态角；陀螺仪用于检测LED标靶围绕相对于绑定在其上的坐标系三轴的转动角速度。
[0008]其中，所述LED标靶由一组可以发光的平面LED芯片组成。并且作为优选地，所述LED标靶由成田字形分布的4颗LED芯片组成，其中一颗为定位芯片，其光斑呈正方形，用于定位；其余三颗为编码芯片，其光斑呈对称的三角形。通过对称三角形朝向的变化，可以演化出4X4X4 = 64种形式(编码)，以便图像处理时识别。
[0009]其中，所述姿态仪还包括微处理器和数据传输装置；所述微处理器接受姿态传感器的数据并通过重力计、磁力计和陀螺仪数据融合算法计算出LED标靶相对于绝对坐标系的姿态角；并按照计算机的控制信号将计算出的数据通过数据传输装置传输到计算机。
[0010]其中，所述微处器还用于控制开关量输入和信号灯输出，以便通过姿态仪上的按键和LED指示灯与用户进行简单交互，例如充电指示、按键输入等。
[0011]其中，所述LED标靶、姿态传感器、微处理器和数据传输装置集成安装在绝缘导热金属基板上。
[0012]本发明的第二方面涉及一种惯性测量LED检测复合型六自由度输入方法，其利用姿态仪以及摄像机实现六自由度的计算机输入，其特征在于:所述姿态仪具有LED标靶和姿态传感器；所述姿态传感器用于感知姿态仪的三轴角速度，并转换为相对于摄像机坐标的三轴姿态角；计算机从摄像机拍摄的LED标靶的视频信息获取LED标靶的空间位置信息；并利用姿态仪传送的三轴姿态角和LED标靶的空间位置信息进行数据融合并计算出LED标靶准确的三维坐标，与所述三轴姿态角共同构成所述LED标靶的六个自由度，作为空间姿态信息输入计算机。
[0013]其中，所述LED标靶由一组可以发光的平面LED芯片组成。并且作为优选地，所述LED标靶由成田字形分布的4颗LED芯片组成，其中一颗为定位芯片，其光斑呈正方形，用于定位；其余三颗为编码芯片，其光斑呈对称的三角形。通过对称三角形朝向的变化，可以演化出4X4X4 = 64种形式(编码)，以便图像处理时识别。
[0014]其中，所述姿态传感器包括重力计、陀螺仪和磁力计；其中，重力计用于检测LED标靶相对重力加速度的姿态角；磁力计用于检测LED标靶相对于地磁场的姿态角；陀螺仪用于检测LED标靶围绕相对于绑定在其上的坐标系三轴的转动角速度。
[0015]其中，所述姿态仪还包括微处理器和数据传输模块；所述微处理器接受姿态传感器的数据并通过重力计、磁力计和陀螺仪数据融合算法计算出LED标靶相对于绝对坐标系的姿态角；并按照计算机的控制信号将计算出的数据通过数据传输模块传输到计算机。
[0016]本发明的第三方面涉及一种惯性测量LED检测复合型六自由度输入系统，其特征在于:所述系统包括:姿态仪和计算机；所述姿态仪包括LED标靶、姿态传感器、微处理器和数据传输模块；所述姿态传感器包括重力计、陀螺仪和磁力计；其中，重力计用于检测LED标靶相对重力加速度的姿态角；磁力计用于检测LED标靶相对于地磁场的姿态角；陀螺仪用于检测LED标靶围绕相对于绑定在其上的坐标系三轴的转动角速度；所述微处理器接受姿态传感器的数据并通过重力计、磁力计和陀螺仪数据融合算法计算出LED标靶相对于绝对坐标系的姿态角数据；并按照计算机的控制信号将计算出的数据通过数据传输模块传输到计算机；所述计算机通过获取摄像机拍摄的LED标靶的图像，计算出LED标靶的边界；然后依据LED标靶边界与姿态仪传输给计算机的姿态角数据计算得到LED标靶的六个自由度。
[0017]本发明所述的技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0018]本发明所述的惯性测量LED检测复合型六自由度输入方法及系统采用mems传感器作为惯性测量单元，采用特定形状的平面LED作为识别标靶，采用摄像机图像识别技术检测平面LED标靶位置，与惯性测量单元检测的姿态互相修正，不仅硬件设备成本较低，而且得到的动静态精度都相对较。作为六自由度输入和定位设备，本发明所述的系统可以与眼睛式显示器结合，实现实时虚拟现实显示，用以显示沙盘、虚拟现场、虚拟工件等。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明所述的惯性测量LED检测复合型六自由度输入系统的示意图。
[0020]图2为投影的形状和大小与光标的六自由度的关系图。
[0021]图3为利用摄像机对LED标靶成像的原理图。【具体实施方式】
[0022]以下将结合具体实施例对本发明所述的惯性测量LED检测复合型六自由度输入方法及系统做进一步的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
[0023]在本发明中，所述姿态仪，含有LED标靶、姿态传感器、微处理器和数据传输装置；所述姿态传感器包括重力计、陀螺仪和磁力计；其中，重力计用于检测LED标靶相对重力加速度的姿态角；磁力计用于检测LED标靶相对于地磁场的姿态角；陀螺仪用于检测LED标靶围绕相对于绑定在其上的坐标系三轴的转动角速度。由于在大部分地球表面地磁场和重力场是相互垂直的，这两个方向按照右手定则构成绝对坐标系，因此通过重力计和磁力计检测到的姿态角就是LED标靶相对绝对坐标系的姿态。由于重力计的信号中混合有LED标靶自身运动的加速度，在动态条件下容易干扰对重力加速度的检测结果，因此，需要陀螺仪数据进行动态检测。所述微处理器接受姿态传感器的数据并通过重力计、磁力计和陀螺仪数据融合算法计算出LED标靶相对于绝对坐标系的姿态角；并按照计算机的控制信号将计算出的数据通过数据传输装置传输到计算机。此外，所述微处器还用于控制开关量输入和信号灯输出，以便通过姿态仪上的按键和LED指示灯与用户进行简单交互，例如充电指示、按键输入等。
[0024]在本发明中，所述LED标靶由一组可以发光的平面LED芯片组成。并且作为优选地，所述LED标靶由成田字形分布的4颗LED芯片组成，其中一颗为定位芯片，其光斑呈正方形，用于定位；其余三颗为编码芯片，其光斑呈对称的三角形。通过对称三角形朝向的变化，可以演化出4X4X4 = 64种形式(编码)，以便图像处理时识别。在本发明中所述的LED是指具有向二极管供电的接触区域的发光半导体元件。在本发明中，可以使用不同材质的LED，例如由一种或多种III族元素和一种或者多种V族元素的PN结(II1-V半导体)形成。可用于LED的II1-V半导体材料的例子包括:氮化物，如氮化镓或者氮化铟镓；以及磷化物如磷化铟镓。也可以使用其它类型的II1-V材料，还可以使用其它族的无机材料。而且术语LED还包括用荧光粉封装或者与荧光粉相关的LED，其中，荧光粉将由LED发出的光转变为不同波长的光。在本发明中，所述LED可以选择为以任何所需波长发射，如在红色、绿色、蓝色、紫外或者远红外光谱区中发射。在LED芯片阵列中，各LED可以都在同一光谱区中发射，或者可以在不同的光谱区中发射。不同的LED芯片可以用来产生不同的颜色，其中，由发光元件发射的光的颜色是可选择的。对不同LED的单独控制导致能够控制发射的光的颜色。另外，如果需要白色光，则可以提供大量发射不同颜色光的LED，其组合的效果是发射观看者感觉成是白色的光。产生白色光的另一方法是使用一个或者多个发射相对较短波长的光的LED，并且使用荧光粉波长转换器将发射的光转换为白色光。白色光是刺激人眼的光感受器以产生普通观看者认为是“白色”的外观的光。这种白色光可以偏向红色(通常称为暖白色光)或者偏向蓝色(通常称为冷白色光)。为了保证摄像机的拍摄效果，以及便于计算机对拍摄图像的处理，所述的LED可以在现有技术范围内选择具有相对柔和发光的LED平面管，此外为了能够在较暗的环境中使用，所述的LED芯片需要具有足够的功率，例如可以选择单颗LED芯片的功率为3W以上，优选地为5W以上，例如单颗LED芯片功率为 10-50W。[0025]为了增加设备的可靠性、稳定性也为了便于散热以及(散热以及耐压性对于包含电子设备的器件，尤其是包含半导体设备的器件而言往往是至关重要的)，所述LED标靶、姿态传感器、微处理器和数据传输装置集成安装在绝缘导热金属基板上。
[0026]所述的绝缘导热金属基板是由铝板基底，和在所述铝板基底上形成的阳极氧化铝膜构成；所述铝板基底的厚度为2~20mm，阳极氧化铝膜的厚度为20~100 μ m ;所述绝缘导热金属基板的绝缘耐久时间大于800小时，所述的绝缘耐久时间是指在80°C、85% RH的条件下在绝缘导热金属基板上施加220V的直流电压，而将电阻值下降至106Ω以下的时间。
[0027]所述的绝缘导热金属基板的制备方法如下:首先对铝板进行酸洗除垢，然后在柠檬酸水溶液中进行阳极氧化处理，所述柠檬酸水溶液含有:20~35g/L的柠檬酸，3~5g/L的DL-半胱氨酸，0.5~1.0g/L的过氧化氢，3~5g/L的柠檬酸铝；在液温为10~20°C、电流密度为0.5~lA/dm2、电解处理20~30min。米用上述阳极氧化方法，由于米用朽1檬酸作为处理溶液，并在其中添加了适量的过氧化氢和DL-半光氨酸，在阳极氧化处理时能够使得铝离子的供应充足，从而能够得到致密的阳极氧化铝膜，在膜厚为20 μ m及以上的条件下，即使不经过封孔处理即可满足绝缘耐久时间大于800小时的要求。
[0028]作为对比，现采用现有技术的方法做一比较:
[0029]对铝板进行酸洗除垢，然后在草酸溶液中进行阳极氧化处理，所述草酸溶液中含有20~35g/L的草酸，3~5g/L的草酸铝；在液温为10~20°C、电流密度为0.5~IA/dm2、电解处理20~30min ;然后在硼酸水溶液中进行封闭处理，所述硼酸水溶液中含有
0.1~2mol/L的硼酸和0.01~0.5mol/L的四硼酸钠；封孔条件为液温10~30°C、电流密度0.5~2A/dm2、电解处 理时间3~5分钟。利用该方法处理的绝缘导热金属基板即使在膜厚为100 μ m，绝缘耐久时间也仅为300~500小时。
[0030]此外为了及时将安装在所述绝缘金属基板上的LED标靶、姿态传感器和微处理器工作时产生的热量及时导出，在所述绝缘金属基板的底部还设置有带鳍片的铝散热器；所述绝缘金属基板通过粘结带与所述铝散热器固定；所述粘合带的厚度为30~50 μ m，热传导率为I~4W/mK，所述绝缘金属基板与所述铝散热器之间的耐电压为1500V以上。
[0031]所述的粘合带由22~25wt%的甲基丙烯酸、2~3wt %的羟基封端的聚二甲基硅氧烷、2~3wt %的聚二甲基二苯基硅氧烷、1.0~1.2wt %的邻苯基苯乙氧基丙稀酸酷、
1.2~1.5wt%的乙氧化双酹F 二丙烯酸酯和余量的无机填料组成。
[0032]所述的粘合带中甲基丙烯酸赋予足够的粘结性，而通过添加邻苯基苯乙氧基丙烯酸酯、和乙氧化双酚F 二丙烯酸酯能够提供所需的耐绝缘性。
[0033]作为无机填料，优选具有电绝缘性且热传导性良好的无机填料，例如可以使用二氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氮化硼等。无机填料的粒度是包含平均粒径为0.6 μ m~
2.4μπι以及5μπι~20μπι的两种粒度；并且二者之间的比例为1: 2~2:1之间。通过将平均粒径较大的粗粒子和平均粒径较小的微粒子混合，与单独使用各微粒时相比，可实现更多的填充，能够获得良好的热传导性。此外，粒子形状可以是粉碎的、球形的、或鳞片状的。
[0034]在此基础上，本发明还涉及惯性测量LED检测复合型六自由度输入系统，如附图1所示，所述系统包括:姿态仪10、摄像机20和计算机30 ;所述姿态仪包括LED标靶、姿态传感器、微处理器和数据传输模块；所述姿态传感器包括重力计、陀螺仪和磁力计；其中，重力计用于检测LED标靶相对重力加速度的姿态角；磁力计用于检测LED标靶相对于地磁场的姿态角；陀螺仪用于检测LED标靶围绕相对于绑定在其上的坐标系三轴的转动角速度；陀螺仪用于检测LED标靶围绕相对于绑定在其上的坐标系三轴的转动角速度。所述微处理器接受姿态传感器的数据并通过重力计、磁力计和陀螺仪数据融合算法计算出LED标靶相对于绝对坐标系的姿态角数据；并按照计算机的控制信号将计算出的数据通过数据传输模块传输到计算机；所述数据传输模块可以为无线传输模块或有线传输接口 ；由于具有上述功能的姿态传感器以及数据传输模块已在本领域中广泛应用，对其工作原理、方式以及具体的计算方法属于本领域技术人员能够知晓的普通技术知识，在此不在赘述。所述计算机通过获取摄像机拍摄的LED标靶的图像，计算出LED标靶的边界；然后依据LED标靶边界与姿态仪传输给计算机的姿态角数据计算得到LED标靶的六个自由度。具体来说，所述计算机中安装有图像处理驱动模块，并且图像处理驱动包括图像处理模块、姿态计算模块和通讯模块。图像处理模块通过获取摄像机拍摄的图像，经过一系列的图像处理和计算，检测出LED标靶的边界，并与环境中的其他干扰源相区别；在本发明中所述的图像处理模块采用现有技术中已知的即可。通讯模块作为驱动的对外接口，用于与其他模块交换信息，例如提供计算得到的六自由度数据。姿态计算模块根据LED标靶边界与姿态仪的三轴角度数据计算得到LED标靶的三维坐标。如附图2所示，在理论上仅采用LED标靶的影像就可以完全计算出LED标靶的六个自由度，但是由于摄像效果的影响，在LED标靶尺寸较小的情况下，标靶影像的的情况下光标影像的几何特性中的各边的夹角极小，几乎无法分辨，也就是说，部分自由度参数由于影像图形的不准确性而无法计算。而如附图3所示，通过像高、物高和摄像机变形比例K可计算出物体到摄像机的距离。
[0035]因此，忽略各边的夹角，仅通过平均h、平均w和s计算:
[0036]
【权利要求】
1.一种姿态仪，其含有LED标靶和姿态传感器，其特征在于:所述姿态传感器包括重力计、陀螺仪和磁力计；所述重力计用于检测LED标靶相对重力加速度的姿态角；所述磁力计用于检测LED标靶相对于地磁场的姿态角；所述陀螺仪用于检测LED标靶围绕相对于绑定在其上的坐标系三轴的转动角速度。
2.根据权利要求1所述的姿态仪，其特征在于:所述姿态仪还包括微处理器和数据传输装置；所述微处理器接受姿态传感器的数据并通过重力计、磁力计和陀螺仪数据融合算法计算出LED标靶相对于绝对坐标系的姿态角；并按照计算机的控制信号将计算出的数据通过数据传输装置传输到计算机。
3.根据权利要求1或2所述的姿态仪，其特征在于:所述微处器还用于控制开关量输入和信号灯输出，以通过姿态仪上的按键和LED指示灯与用户进行交互。
4.根据权利要求1-3任一项所述的姿态仪，其特征在于:所述LED标靶由一组可以发光的平面LED芯片组成；并且所述LED标靶由成田字形分布的4颗LED芯片组成，其中一颗为定位芯片，其光斑呈正方形，用于定位；其余三颗为编码芯片，其光斑呈对称的三角形。
5.根据权利要求4所述的姿态仪，其特征在于:所述LED标靶、姿态传感器、微处理器和数据传输装置集成安装在绝缘导热金属基板上；所述的绝缘导热金属基板是由铝板基底，和在所述铝板基底上形成的阳极氧化铝膜构成；所述铝板基底的厚度为2~20mm，阳极氧化招膜的厚度为20~100 μ m ;所述绝缘导热金属基板的绝缘耐久时间大于800小时,所述的绝缘耐久时间是指在80°C、85% RH的条件下在绝缘导热金属基板上施加220V的直流电压，而将电阻值下降至106Ω以下的时间。
6.一种惯性测量LED 检测复合型六自由度输入方法，其利用姿态仪以及摄像机实现六自由度的计算机输入，其特征在于:所述姿态仪具有LED标靶和姿态传感器；所述姿态传感器用于感知姿态仪的三轴角速度，并转换为相对于摄像机坐标的三轴姿态角；计算机从摄像机拍摄的LED标靶的视频信息获取LED标靶的空间位置信息；并利用姿态仪传送的三轴姿态角和LED标靶的空间位置信息进行数据融合并计算出LED标靶准确的三维坐标，与所述三轴姿态角共同构成所述LED标靶的六个自由度，作为空间姿态信息输入计算机。
7.根据权利要求6所述的惯性测量LED检测复合型六自由度输入方法，其特征在于:所述姿态传感器包括重力计、陀螺仪和磁力计；其中，所述重力计用于检测LED标靶相对重力加速度的姿态角；所述磁力计用于检测LED标靶相对于地磁场的姿态角；所述陀螺仪用于检测LED标靶围绕相对于绑定在其上的坐标系三轴的转动角速度。
8.根据权利要求7所述的惯性测量LED检测复合型六自由度输入方法，其特征在于:所述姿态仪还包括微处理器和数据传输模块；所述微处理器接受姿态传感器的数据并通过重力计、磁力计和陀螺仪数据融合算法计算出LED标靶相对于绝对坐标系的姿态角；并按照计算机的控制信号将计算出的数据通过数据传输模块传输到计算机。
9.根据权利要求8所述的惯性测量LED检测复合型六自由度输入方法，其特征在于:所述LED标靶由一组可以发光的平面LED芯片组成；并且所述LED标靶由成田字形分布的4颗LED芯片组成，其中一颗为定位芯片，其光斑呈正方形，用于定位；其余三颗为编码芯片，其光斑呈对称的二角形。
10.一种惯性测量LED检测复合型六自由度输入系统，其特征在于:所述系统包括:姿态仪和计算机；所述姿态仪包括LED标靶、姿态传感器、微处理器和数据传输模块；所述姿态传感器包括重力计、陀螺仪和磁力计；其中，所述重力计用于检测LED标靶相对重力加速度的姿态角；所述磁力计用于检测LED标靶相对于地磁场的姿态角；所述陀螺仪用于检测LED标靶围绕相对于绑定在其上的坐标系三轴的转动角速度；所述微处理器接受姿态传感器的数据并通过重力计、磁力计和陀螺仪数据融合算法计算出LED标靶相对于绝对坐标系的姿态角数据；并按照计算机的控制信号将计算出的数据通过数据传输模块传输到计算机；所述计算机通过获取摄像机拍摄的LED标靶的图像，计算出LED标靶的边界；然后依据LED标靶边 界与姿态仪传输给计算机的姿态角数据计算得到LED标靶的六个自由度。
【文档编号】G01C21/16GK103808322SQ201410075761
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】韩涛, 赵雯 申请人:韩涛