CN106500725A - 姿态测量装置自动校正的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明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，所述发射模块包括姿态测量装置、重力检测装置和发射装置，所述发射装置可以发射激光面，所述接收模块包括CCD相机。与现有技术相比，本发明利用发射装置发射激光面而接收模块接收不同特征光信号的方式，调整x轴、y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。

Description

姿态测量装置自动校正的方法及系统

技术领域

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。

发明内容

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装置。

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，所述发射模块包括姿态测量装置、重力检测装置和发射装置，所述发射装置可以发射激光面，所述接收模块包括CCD相机，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CCD相机传递的信号传递对应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CCD相机具有像素检测功能，可以识别所述发射装置发射的激光在所述CCD相机上形成的影像的像素。

优选地，存在一个临界角，所述临界角对应的所述CCD相机拍摄的激光影像中单位长度的标准像素，当进入所述CCD相机入射激光的入射角小于所述临界角时，所述CCD相机检测到的单位长度的像素小于标准像素；当进入所述CCD相机入射激光的入射角大于所述临界角时，所述CCD相机检测到的单位长度的像素大于标准像素。

优选地，所述临界角为85°。

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CCD相机为基准建立直角坐标系，z轴与地面垂直，正方向朝上,以光线垂直入射所述CCD相机镜片中心的光线方向为x轴负方向，y轴正方向满足坐标系xyz成右手系；

S2.2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CCD相机的背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；

S2.3当所述CCD相机检测到激光影像的单位像素高于标准像素，并且所述重力检测装置检测到所述接收装置与竖直方向的夹角为零，所述处理模块调零x轴、y轴、z轴的角度信息。

优选地，所述发射模块包括发射端嵌入式控制模块，所述发射端嵌入式控制模块可以接收所述重力检测装置和所述姿态测量装置传输的数据，并将接收到的数据传递到所述处理模块。

优选地，所述发射端嵌入式控制模块在接收到所述姿态测量装置和所述重力检测装置发来的数据信息后，将数据信息打上时间戳后发送到所述处理模块进行处理。

优选地，当所述处理模块接收到所述接收模块传递来的校正信号后，所述处理模块核对接收到校正信号的时刻t₂，并且检测接收到的带时间戳的数据信息，当所述处理模块检测到带时间戳的数据信息的时间戳显示的时间点晚于或等于t₂时刻时，所述处理模块按照校正信息对所述姿态测量装置的角度信息进行校正，校正完成后，所述运算处理器在再次接收到所述接收模块传递来的校正信号之前不再监测数据信息的时间戳。

提供一种姿态测量装置自动校正系统，其特征在于，所述发射模块包括发射端无线传输模块，所述处理模块包括处理端无线传输模块，所述发射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，所述发射模块为手柄，所述手柄包括发射端口和面激光发射器，所述发射端口为矩形狭缝状，所述面激光发射器发射的激光通过发射端口射入外部空间，形成扇形激光面，当所述手柄的几何轴心垂直于地面时，所述激光面与地面相垂直。

与现有技术相比，本发明利用发射装置发射激光面而接收模块接收不同特征光信号的方式，调整x轴、y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CCD相机的设置，保证了光线必须满足一定的入射条件才可以使CCD相机产生对应的响应，实现了通过像素识别来判断发射模块姿态的方法，使本发明的姿态调零得以实现。重力检测装置可以检测发射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。CCD相机的临界角设置为85°一方面可以达到校正姿态测量装置误差累积的效果，另一方面可以使发射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、y轴、z轴的零点位置来对应激光面的照射角度，从而对应发射模块的姿态的方法，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。手柄的发射端口被设置为狭长矩形状，可以保证出射的激光形成比较薄的激光面而不会发散，保证了光感应调零的实现。

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是以手柄为示例的发射模块示意图；

图3是以CCD相机为示例的接收装置示意图；

图4是CCD相机调零x轴、y轴、z轴示意图；

图5是CCD相机不发出调零指令示意图之一；

图6是CCD相机不发出调零指令示意图之二；

图7是姿态测量装置校正流程示意图。

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接收模块1、发射模块2和处理模块3。接收模块1包括接收装置11、接收端嵌入式控制模块13，接收装置11和接收端嵌入式控制模块13电性连接。发射模块2包括发射装置21、发射端嵌入式控制模块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和发射端无线传输模块29，其中，发射端嵌入式控制模块22与电源模块24电性连接，发射端嵌入式控制模块22与电源模块24分别与发射装置21、姿态测量装置23、重力检测装置25、操作装置27和发射端无线传输模块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与接收端嵌入式控制模块13电性连接，处理端无线传输模块31可以与发射端无线传输模块29通过无线连接的方式传递信息。接收装置11主要用于接收发射装置21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13进行处理，接收端嵌入式控制模块13可以将其处理的结果发送到运算处理器33进行进一步处理。姿态测量装置23可以测量发射模块2在空间的姿态和角度信息，重力检测装置25可以测量发射模块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发射端嵌入式控制模块22，发射端嵌入式控制模块22可以将上述信息通过发射端无线传输模块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2示例性地示出了以手柄201为第一实施例的发射模块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，发射装置21包括面激光发射器211，面激光发射器211包括发射端口2113和激光源2115，面激光发射器211的发射端口2113为矩形狭缝状，矩形狭缝的四个矩形边中，相互平行的两个较长的矩形边与手柄201的几何轴心L₁相平行，激光源2115发射的激光可以通过狭缝状的发射端口2113发射到手柄201的外部空间中，形成扇形激光面，其中，扇形激光面的区域由光线L₂和光线L₃划定。当手柄201的几何轴心L₁垂直于地面时，扇形激光面与地面相垂直。

请参阅图3，图3示例性地示出了以CCD相机101为第一实施例的接收装置11，在该实施例中，CCD相机101具有像素检测的功能。对于外界入射的激光，根据其入射角度的不同CCD相机101能够检测到不同的激光影像像素值。当激光光线垂直入射CCD相机101时，CCD相机101检测到的单位长度激光影像像素要高于激光光线非垂直入射的情况，我们可以根据激光影像单位长度像素值的大小来判断外界激光光线是否垂直入射。为了在使用过程中可以一方面达到校正姿态测量装置23误差累积的效果，另一方面使发射模块2得到校正的机会较多，防止入射的激光光线长时间不满足垂直入射而无法进行校正的情况发生，我们可以设定一个临界角85°，激光光线以85°为入射角进入CCD相机101内部时对应的单位长度像素值为标准像素。当光线的入射角小于85°时，CCD相机101检测到的激光影像的单位长度像素值低于标准像素，接收端嵌入式控制模块13不发送校正信号到处理模块3；当光线的入射角在85°到90°之间时，我们认为光线垂直入射CCD相机101，CCD相机101检测到的激光影像的像素值高于单位长度标准像素，接收端嵌入式控制模块13发送校正信号到处理模块3。

请参阅图4—图6，图4示例性地示出了CCD相机101调零姿态测量装置23的一种情况。我们以CCD相机101为基准建立直角坐标系，z轴与地面垂直，正方向朝上；以光线垂直入射CCD相机镜片中心的光线方向为x轴负方向，y轴正方向满足坐标系xyz成右手系。CCD相机101的背面为一垂直于x轴的平面。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，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；当手柄201发射的激光面垂直于CCD相机101的背面且光线传播方向朝向x轴负方向时，我们记手柄201的z轴角度为零。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垂直于地面且手柄201发射的激光面垂直入射CCD相机101时，CCD相机101拍摄到一条直线影像，CCD相机101对拍摄到的直线影像的方向和像素进行识别，检测到直线影像的单位长度像素高于标准像素，CCD相机101将相关信息传递到处理模块3；同时重力检测装置25检测到接收模块2与竖直方向的夹角为零，重力检测装置25将相关数据传递到处理模块3，处理模块3综合上述数据重置手柄x轴、y轴、z轴的角度数据为零。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CCD相机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不垂直于地面且手柄201发射的激光面垂直入射CCD相机101时，CCD相机101拍摄到一条非竖直的直线影像，CCD相机101对拍摄到的直线影像的像素进行识别，检测到直线的单位长度的像素高于入射角为临界角的直线像素，CCD相机101将相关信息传递到处理模块3；同时重力检测装置25检测到接收模块2与竖直方向的夹角不为零，重力检测装置25将相关数据传递到处理模块3，处理模块3综合上述数据不进行调零。

图6示例性地示出了CCD相机101响应不成功的一种情况，当手柄201发射的激光面不垂直入射CCD相机101时，CCD相机101拍摄到一条直线，CCD相机101对拍摄到的直线的方向和像素进行识别，检测到直线的单位长度的像素低于入射角为临界角的直线像素，此时，处理模块3不进行调零。

请参阅图7，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2发射激光面，同时接收模块1处于待机状态。接收装置11的CCD相机101实时监控激光反应，当CCD相机101拍摄到激光图像时，CCD相机101对拍摄到的激光图像进行识别。当CCD相机101检测到其拍摄到的直线影像的单位长度像素高于入射角为临界角的直线像素，CCD相机101将相关信息传递到处理模块3；同时重力检测装置25检测到接收模块2与竖直方向的夹角为零，重力检测装置25将相关数据传递到处理模块3，处理模块3综合上述数据重置手柄x轴、y轴、z轴的角度数据为零；当CCD相机101检测到其拍摄的直线影像的单位长度像素高于入射角为临界角的直线像素，CCD相机101将相关信息传递到处理模块3；同时重力检测装置25检测到接收模块2与竖直方向的夹角不为零，重力检测装置25将相关数据传递到处理模块3，处理模块3综合上述数据不进行调零；当CCD相机101检测到其拍摄到的直线影像的像素低于入射角为临界角的直线像素，此时，处理模块3不进行调零。

由于发射模块2向处理模块3传递姿态及重力检测数据需要耗费一定的时间，该时间我们称为延迟时间t，处理模块3在t₀时刻接收到的发射模块2传递的姿态及重力数据实际上对应的是(t₀-t)时刻发射模块2的姿态信息。如果处理模块3在t₁时刻接收到接收模块1发送的校正信息后立刻校正姿态测量装置23的角度信息，会造成处理模块3实际调整的是(t₁-t)时刻的姿态测量装置23的角度信息，使(t₁-t)到t₁时刻之间的姿态测量装置23的误差被累积下来，影响姿态测量装置23的精确性和设备整体的体验。作为本发明的另一个实施例，发射端嵌入式控制模块22在接收到姿态测量装置23和重力检测装置25发来的数据信息后，将数据信息打上时间戳后发送到发射端无线传输模块29，发射端无线传输模块29将打上时间戳的数据信息传递到处理端无线传输模块31，并由处理端无线传输模块31传递至运算处理器33进行处理。当运算处理器33接收到接收模块1传递来的校正信号后，运算处理器33核对接收到校正信号的时刻t₂，并且检测接收到的带时间戳的数据信息。当运算处理器33检测到数据信息的时间戳显示的时间点晚于或等于t₂时刻时，运算处理器33立刻按照校正信息对姿态测量装置23的角度信息进行校正，校正完成后运算处理器33在再次接收到接收模块1传递来的校正信号之前不再监测数据信息的时间戳。本实施例通过延迟校正防止了由于延迟时间造成的数据误差的积累，大幅提高了设备的精确度和可用性。

与现有技术相比，本发明利用发射装置21发射激光面而接收模块1接收不同特征光信号的方式，调整x轴、y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CCD相机101的设置，保证了光线必须满足一定的入射条件才可以使CCD相机101产生对应的响应，实现了通过像素识别来判断发射模块2姿态的方法，使本发明的姿态调零得以实现。重力检测装置25可以检测发射模块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。CCD相机101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，另一方面可以使发射模块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、y轴、z轴的零点位置来对应激光面的照射角度，从而对应发射模块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。手柄201的发射端口2113被设置为狭长矩形状，可以保证出射的激光形成比较薄的激光面而不会发散，保证了光感应调零的实现。

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。

Claims (10)

1.一种姿态测量装置自动校正的方法，其特征在于，包括发射模块、接收模块、处理模块，所述发射模块包括姿态测量装置、重力检测装置和发射装置，所述发射装置可以发射激光面，所述接收模块包括CCD相机，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CCD相机传递的信号传递对应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。

2.根据权利要求1所述的姿态测量装置自动校正的方法，其特征在于，所述CCD相机具有像素检测功能，可以识别所述发射装置发射的激光在所述CCD相机上形成的影像的像素。

3.根据权利要求2所述的姿态测量装置自动校正的方法，其特征在于，存在一个临界角，所述临界角对应的所述CCD相机拍摄的激光影像中单位长度的标准像素，当进入所述CCD相机入射激光的入射角小于所述临界角时，所述CCD相机检测到的单位长度的像素小于标准像素；当进入所述CCD相机入射激光的入射角大于所述临界角时，所述CCD相机检测到的单位长度的像素大于标准像素。

4.根据权利要求3所述的姿态测量装置自动校正的方法，其特征在于，所述临界角为85°。

5.根据权利要求4所述的姿态测量装置自动校正的方法，其特征在于，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CCD相机为基准建立直角坐标系，z轴与地面垂直，正方向朝上,以光线垂直入射所述CCD相机镜片中心的光线方向为x轴负方向，y轴正方向满足坐标系xyz成右手系；

S2.2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CCD相机的背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；

S2.3当所述CCD相机检测到激光影像的单位像素高于标准像素，并且所述重力检测装置检测到所述接收装置与竖直方向的夹角为零，所述处理模块调零x轴、y轴、z轴的角度信息。

6.根据权利要求5所述的姿态测量装置自动校正的方法，其特征在于，所述发射模块包括发射端嵌入式控制模块，所述发射端嵌入式控制模块可以接收所述重力检测装置和所述姿态测量装置传输的数据，并将接收到的数据传递到所述处理模块。

7.根据权利要求6所述的姿态测量装置自动校正的方法，其特征在于，所述发射端嵌入式控制模块在接收到所述姿态测量装置和所述重力检测装置发来的数据信息后，将数据信息打上时间戳后发送到所述处理模块进行处理。

8.根据权利要求7所述的姿态测量装置自动校正的方法，其特征在于，当所述处理模块接收到所述接收模块传递来的校正信号后，所述处理模块核对接收到校正信号的时刻t₂，并且检测接收到的带时间戳的数据信息，当所述处理模块检测到带时间戳的数据信息的时间戳显示的时间点晚于或等于t₂时刻时，所述处理模块按照校正信息对所述姿态测量装置的角度信息进行校正，校正完成后，所述运算处理器在再次接收到所述接收模块传递来的校正信号之前不再监测数据信息的时间戳。

9.一种根据权利要求1所述的姿态测量装置自动校正的方法的姿态测量装置自动校正系统，其特征在于，所述发射模块包括发射端无线传输模块，所述处理模块包括处理端无线传输模块，所述发射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。

10.根据权利要求9所述的姿态测量装置自动校正系统，其特征在于，所述发射模块为手柄，所述手柄包括发射端口和面激光发射器，所述发射端口为矩形狭缝状，所述面激光发射器发射的激光通过发射端口射入外部空间，形成扇形激光面，当所述手柄的几何轴心垂直于地面时，所述激光面与地面相垂直。