姿态测量装置自动校正的方法及系统与流程

本发明涉及姿态测量领域，更具体地说，涉及一种姿态测量装置自动校正的方法及系统。

背景技术：

姿态测量一般采用姿态测量装置来测量角度信息，姿态测量装置的类型很多，利用三轴地磁解耦和三轴加速度计，受外力加速度影响很大，在运动/振动等环境中，输出方向角误差较大,此外地磁传感器有缺点，它的绝对参照物是地磁场的磁力线,地磁的特点是使用范围大，但强度较低，约零点几高斯，非常容易受到其它磁体的干扰。陀螺仪输出角速度，是瞬时量，角速度在姿态平衡上是不能直接使用，需要角速度与时间积分计算角度，得到的角度变化量与初始角度相加，就得到目标角度，其中积分时间Dt越小，输出角度越精确,但陀螺仪的原理决定了它的测量基准是自身，并没有系统外的绝对参照物，加上Dt是不可能无限小,所以积分的累积误差会随着时间流逝迅速增加，最终导致输出角度与实际不符。

技术实现要素：

为了解决当前姿态测量装置累计误差影响角度测量的缺陷，本发明提供一种可以消除累计误差的姿态测量装置自动校正的方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种姿态测量装置自动校正的方法，包括发射模块、接收模块、处理模块，所述接收模块包括姿态测量装置、重力检测装置和接收装置，所述发射模块包括发射装置，所述发射装置可以发射激光面，所述接收模块包括至少两个光感应装置，所述姿态测量装置通过以下步骤进行自动校正：

S1：所述发射装置发射激光面，所述接收模块处于待机状态；

S2：所述接收模块根据所述光感应装置传递的信号判断是否传递校正信息到所述处理模块及传递何种校正信息到所述处理模块；

S3：所述处理模块根据所述接收模块传递的信息对所述姿态测量装置进行校正。

优选地，所述接收模块包括手柄，所述手柄包括反光面，所述反光面设置在所述手柄的端部，具有反光及透光的能力，所述光感应装置固定在所述手柄的内部，并朝向所述反光面的方向，激光光线可以在所述反光面的表面发生反射和折射，折射光线可以使所述光感应装置产生响应，存在一个临界角，使在所述反光面发生折射的入射激光的入射角小于所述临界角时，折射光线的强度不足以使所述光感应装置产生响应；当在所述反光面发生折射的入射激光的入射角大于等于所述临界角时，折射光线的强度可以使所述光感应装置产生响应。

优选地，所述临界角为85°。

优选地，所述发射装置为光源模组，所述光源模组包括前面板和面激光发射器，所述面激光发射器设置在所述前面板上。

优选地，所述接收模块根据所述光感应装置传递的信号通过以下步骤判断校正信息：

S2.1以所述光源模组为基准建立直角坐标系，z轴与地面垂直，正方向朝上；x轴与所述前面板垂直，正方向与光线射出的方向相同，y轴与所述前面板平行，正方向满足坐标系xyz成右手系；

S2.2设置所述姿态测量装置的x轴、z轴零点位置，当所述发射模块发射的激光照射在所述反光面上时，至少一个所述光感应装置响应成功则z轴角度为零；至少两个所述光感应装置响应成功则x轴角度为零；

S2.3当所述光感应装置响应成功时，所述接收模块向所述处理模块传递调零信息，当至少一个所述光感应装置响应成功时，所述接收模块向所述处理模块传递z轴角度为零的信息；当至少两个所述光感应装置响应成功时，所述接收模块向所述处理模块传递x轴角度为零的信息。

优选地，当所述手柄的几何轴心垂直于地面且所述手柄的顶端朝上时，所述手柄的x轴、y轴角度为零；当所述手柄发射的激光面垂直于所述反光面且光线传播方向朝向x轴负方向时，所述手柄的z轴角度为零。

优选地，所述重力检测装置可以检测所述发射模块的y轴角度信息，并实时将测得的y轴信息传递到所述处理模块。

提供一种姿态测量装置自动校正系统，所述接收模块包括接收端无线传输模块，所述处理模块包括处理端无线传输模块，所述接收端无线传输模块和所述处理端无线传输模块之间可以通过无线传输的方式传递信息。

优选地，所述接收装置为手柄，所述手柄中包括至少两个光感应装置，当所述手柄的几何轴心垂直于地面时，至少两个所述光感应装置呈一条竖直直线排列，至少两个所述光感应装置的连线垂直于地面。

优选地，所述接收模块包括光源阵列，所述光源阵列包括至少两个面激光发射器，至少两个所述面激光发射器并列设置，每个所述面激光发射器可以独立地向外发射垂直于地面并且垂直于所述前面板的激光面，每两个相邻的所述面激光发射器之间的间距大于所述手柄中距离最远的两个所述光感应装置之间的距离。

与现有技术相比，本发明利用发射装置发射激光面而接收装置接收不同特征光信号的方式，调整x轴、z轴角度零点的位置，降低了姿态测量装置的误差累积带来的影响，减少了使用者的不适应感并增加了沉浸感，对于体感操作和虚拟现实有较大的意义。相对于手动重置姿态检测装置的零点，本发明姿态测量装置自动校正的方法和系统调整更加自然和精确，一方面防止了使用者凭“感觉”调零带来的误差，另一方面使使用者在使用过程中自然和不自觉地调零，增加了沉浸感，也减少了刻意调整的生硬，增加了游戏性，提升了体验效果。利用反光面的设置，保证了光线必须满足一定的入射条件才可以使光感应装置产生对应的响应，实现了通过光感应来判断接收模块姿态的方法，使姿态的调整可以通过光感应来实现，也使本发明的姿态调零得以实现。重力检测装置可以检测接收模块对于重力方向的偏转角度，配合光感应调零的方法实现了姿态测量装置的x轴、y轴、z轴三轴的角度调整，使姿态测量装置在x轴、y轴、z轴的误差积累都可以被校正。反光面的临界角设置为85°一方面可以达到校正姿态测量装置误差累积的效果，另一方面可以使接收模块得到校正的机会大为增加，防止将临界角设置得过大导致的入射角长时间不满足临界角而无法进行校正的情况发生。通过设置x轴、z轴的零点位置来对应激光面的照射角度，从而对应接收模块的姿态的方法，建立了较为简便的姿态识别规则，更方便使用光感应校正姿态。并列设置面激光发射器可以保证接收模块有更多的机会来校正姿态测量装置。在手柄中设置至少两个光感应装置并且使两个光感应装置的连线与手柄的几何轴心平行可以保证对x轴和z轴的校正。在光源阵列中，并列设置的面激光发射器之间的距离大于手柄中距离最远的两个光感应装置之间的距离，可以防止相邻的面激光发射器同时照射在光感应装置上对测量结果产生干扰。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明姿态测量装置自动校正的系统模块示意图；

图2是以光源模组为示例的发射模块示意图；

图3是以手柄为示例的接收装置示意图；

图4是本发明姿态测量装置自动校正的系统调零x轴、z轴示意图；

图5是本发明姿态测量装置自动校正的系统调零z轴示意图；

图6是本发明姿态测量装置自动校正的系统不发出调零指令示意图；

图7是以光源阵列为示例的发射装置示意图；

图8是本发明姿态测量装置自动校正的系统工作流程示意图。

具体实施方式

为了解决当前姿态测量装置累计误差影响角度测量的缺陷，本发明提供一种可以消除累计误差的姿态测量装置自动校正的方法及系统。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

请参阅图1，本发明姿态测量装置自动校正系统包括发射模块1、接收模块2和处理模块3。发射模块1包括发射装置11、发射端嵌入式控制模块13，发射装置11和发射端嵌入式控制模块13电性连接。接收模块2包括接收装置21、接收端嵌入式控制模块22、姿态测量装置23、电源模块24、重力检测装置25、操作装置27和接收端无线传输模块29，其中，接收端嵌入式控制模块22与电源模块24电性连接，接收端嵌入式控制模块22与电源模块24分别与接收装置21、姿态测量装置23、重力检测装置25、操作装置27和接收端无线传输模块29电性连接。处理模块3包括处理端无线传输模块31和运算处理器33，处理端无线传输模块31和运算处理器33电性连接，运算处理器33与发射端嵌入式控制模块13电性连接，处理端无线传输模块31可以与接收端无线传输模块29通过无线连接的方式传递信息。接收装置21主要用于接收发射装置11发射的光线，并将接收到的光线信息传递到接收端嵌入式控制模块22进行处理，接收端嵌入式控制模块22可以将其处理的结果通过接收端无线传输模块29发送到处理模块3进行进一步处理。姿态测量装置23可以测量接收模块2在空间的姿态和角度信息，重力检测装置25可以测量接收模块2与重力方向的夹角信息和夹角方向，操作装置27可以由使用者操作并发出命令信息，姿态测量装置23和重力检测装置25测得的相关数据以及操作装置27发出的命令信息可以通过电信号的方式传递到接收端嵌入式控制模块22，接收端嵌入式控制模块22可以将上述信息通过接收端无线传输模块29传递到处理端无线传输模块31，处理端无线传输模块31可以将接收到的数据通过电信号的方式传递到运算处理器33进行处理。

请参阅图2—图3，图2—图3示例性地示出了以手柄201为第一实施例的接收模块2，在该实施例中，手柄201的顶端为圆形平面2011，手柄201的几何轴心L₁通过圆形平面2011的圆心并垂直于圆形平面2011，手柄201包括反光面2115、光感应装置2113，至少两个光感应装置2113固定在手柄201的内部，并朝向反光面2115的方向。反光面2115设置在手柄201的端部，光线可以通过反光面2115射入手柄201的内部。反光面2115为光学透明介质，具有较强的反射光线的能力。当光线的入射角小于85°时，反光面2115可以反射掉大部分的入射光，经过折射进入手柄201的光线无法使光感应装置2113产生响应；当光线的入射角在85°到90°之间时，我们认为光线垂直入射反光面2115，光线在反光面2115表面发生反射和折射，折射光线的强度较强，可以使光感应装置2113产生响应，我们称85°的入射角为临界角。一般情况下，当手柄201的几何轴心L₁垂直于地面时，至少两个光感应装置2113呈一条竖直直线排列，至少两个光感应装置2113的连线垂直于地面。图3示例性地示出了以光源模组101为第一实施例的发射装置11，在该实施例中，发射装置11包括面激光发射器1113和前面板1115，面激光发射器1113设置在前面板1115上，面激光发射器1113包括激光源2115，激光源2115可以发射扇形激光面，扇形激光面与地面相垂直并且与前面板1115相垂直。

请参阅图4—图6，图4示例性地示出了光源模组101调零姿态测量装置23的一种情况。我们以光源模组101为基准建立直角坐标系，z轴与地面垂直，正方向朝上；x轴与前面板1115垂直，正方向与光线射出的方向相同，y轴与前面板1115平行，正方向满足坐标系xyz成右手系。在手柄201中设置有姿态测量装置23，姿态测量装置23在测量的过程中会累计误差，使测量结果与真实结果之间的误差越来越大。姿态测量装置23会根据手柄201的姿态变化，提供手柄201在x轴、y轴，和z轴的角度变化。手柄201进一步包括重力检测装置25，重力检测装置25可以实时检测手柄201的y轴角度的变化，并实时校正姿态测量装置23测量的y轴测量结果。我们可以事先设置手柄201的x轴、y轴、z轴角度零点的位置，使发射模块1发射的激光照射在反光面2115上时，至少一个光感应装置2113响应成功则z轴角度为0；至少两个光感应装置2113响应成功则x轴角度为0，这样可以通过响应成功的光感应装置2113的数量来判断手柄201的姿态。作为其中的一种设置方式，当手柄201的几何轴心L₁垂直于地面且手柄201的顶端朝上时，我们记手柄201的x轴、y轴角度为零；当光源模组101发射的激光面垂直入射反光面2115时，我们记手柄201的z轴角度为0。手柄201由使用者握持，在使用过程中，当手柄201的几何轴心L₁垂直于地面且光源模组101发射的激光面垂直入射反光面2115时，至少两个光感应装置2113感应到激光光线并产生响应，并发送电信号到接收端嵌入式控制模块22，接收端嵌入式控制模块22传递信号至发射端无线传输模块29，发射端无线传输模块29将相关信号通过无线传输的方式传递到处理模块3，并重置手柄x轴、z轴的角度数据为零，同时重力检测装置25检测y轴角度并校准手柄的y轴角度数据。由于这种校准是在使用者使用过程中无意中发生的，这样，在不刻意的操作过程中和使用者毫无察觉的情况下就可以完成对手柄x轴、y轴和z轴的校准，防止误差持续积累导致测量误差过大，同时大幅增强了使用者的沉浸感。由于人体手腕的特性，手柄201在使用过程中基本上不会出现手柄201的几何轴心L₁垂直于地面且手柄201的顶端朝下的情况，所以我们对这种情况不予考虑。

图5示例性地示出了光源模组101调零姿态测量装置23的另一种情况，当手柄201的几何轴心L₁不垂直于地面且光源模组101发射的激光面垂直入射反光面2115时，此时由于至少两个光感应装置2113所在的直线不在激光面上，至少两个光感应装置2113所在的直线与激光面至多有一个交点。当所有光感应装置2113中只有一个光感应装置2113可以接收到激光信号时，说明此时手柄201的x轴不为零，z轴为零。手柄201发送信号到发射端嵌入式控制模块13，调零姿态测量装置的z轴。在姿态定位过程中，最容易使人产生不真实体验的就是z轴的角度误差，本实施例通过对z轴的调整大幅增加了使用者的沉浸感，增加了设备的适配性。

图6示例性地示出了手柄201响应不成功的一种情况，当光源模组101发射的激光面不垂直入射反光面2115时，此时反光面2115可以反射掉大部分的入射激光，经过折射进入手柄201的光线无法使光感应装置2113产生响应，此时，光源模组101不发送信号到发射端嵌入式控制模块13，光源模组101响应不成功。

请参阅图7，图7示例性地示出了以光源阵列102为第二实施例的发射装置11，光源阵列102包括至少两个面激光发射器1113，至少两个面激光发射器1113并列设置，每两个相邻的面激光发射器1113之间的间距大于手柄201中距离最远的两个光感应装置2113之间的距离。每个面激光发射器1113可以独立地向外发射垂直于地面并且垂直于前面板1115的激光面。当手柄201中至少两个光感应装置2113感应到激光光线并产生响应，并发送电信号到接收端嵌入式控制模块22，接收端嵌入式控制模块22传递信号至发射端无线传输模块29，发射端无线传输模块29将相关信号通过无线传输的方式传递到处理模块3，并重置手柄x轴、z轴的角度数据为零，同时重力检测装置25检测y轴角度并校准手柄的y轴角度数据。当手柄201中只有一个光感应装置2113可以接收到激光信号时，手柄201发送信号到发射端嵌入式控制模块13，调零姿态测量装置的z轴。并列设置面激光发射器1113可以保证处理模块3有更多的机会来校正姿态测量装置23。

请参阅图8，当本发明姿态测量装置自动校正系统开始工作时，发射模块1发射激光面，同时接收模块2处于待机状态。接收装置21的光感应装置2113实时监控激光反应，当接收装置21中有两个及以上的光感应装置2113产生响应时，说明此时手柄201的几何轴心L₁垂直于地面且面激光发射器1113发射的激光面垂直于反光面2115，此时，接收端嵌入式控制模块22将调零x轴、z轴的信息通过接收端无线传输模块29发送到处理模块3，处理模块3随即调零x轴、z轴数据；当发射装置11中有且只有一个光感应装置2113产生响应时，说明此时手柄201的几何轴心L₁不垂直于地面且面激光发射器1113发射的激光面垂直于反光面2115，此时，接收端嵌入式控制模块29将调零z轴的信息通过接收端无线传输模块29发送到处理模块3，处理模块3随即调零z轴数据；当接收装置21中没有光感应装置2113产生响应时，发射端嵌入式控制模块13不发送调零信息到处理模块3。

与现有技术相比，本发明利用发射装置11发射激光面而接收装置21接收不同特征光信号的方式，调整x轴、z轴角度零点的位置，降低了姿态测量装置23的误差累积带来的影响，减少了使用者的不适应感并增加了沉浸感，对于体感操作和虚拟现实有较大的意义。相对于手动重置姿态检测装置23的零点，本发明姿态测量装置23自动校正的方法和系统调整更加自然和精确，一方面防止了使用者凭“感觉”调零带来的误差，另一方面使使用者在使用过程中自然和不自觉地调零，增加了沉浸感，也减少了刻意调整的生硬，增加了游戏性，提升了体验效果。利用反光面2115的设置，保证了光线必须满足一定的入射条件才可以使光感应装置2113产生对应的响应，实现了通过光感应来判断接收模块2姿态的方法，使姿态的调整可以通过光感应来实现，也使本发明的姿态调零得以实现。重力检测装置25可以检测接收模块2对于重力方向的偏转角度，配合光感应调零的方法实现了姿态测量装置23的x轴、y轴、z轴三轴的角度调整，使姿态测量装置23在x轴、y轴、z轴的误差积累都可以被校正。反光面2115的临界角设置为85°一方面可以达到校正姿态测量装置23误差累积的效果，另一方面可以使接收模块2得到校正的机会大为增加，防止将临界角设置得过大导致的入射角长时间不满足临界角而无法进行校正的情况发生。通过设置x轴、z轴的零点位置来对应激光面的照射角度，从而对应接收模块2的姿态的方法，建立了较为简便的姿态识别规则，更方便使用光感应校正姿态。并列设置面激光发射器1113可以保证接收模块2有更多的机会来校正姿态测量装置23。在手柄201中设置至少两个光感应装置2113并且使两个光感应装置2113的连线与手柄201的几何轴心平行可以保证对x轴和z轴的校正。在光源阵列102中，并列设置的面激光发射器1113之间的距离大于手柄201中距离最远的两个光感应装置2113之间的距离，可以防止相邻的面激光发射器1113同时照射在光感应装置2113上对测量结果产生干扰。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。