專利名稱：一種三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于運(yùn)動(dòng)感知獲取技術(shù)領(lǐng)域以及人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域，涉及運(yùn)動(dòng)信息獲
取、處理、分析和人機(jī)交互應(yīng)用的設(shè)備、系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前人機(jī)交互有兩大類， 一類是鼠標(biāo)，它廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，與鍵盤一起，實(shí) 現(xiàn)人和計(jì)算機(jī)的交互。另一類以電視機(jī)遙控器為代表，它不具備鼠標(biāo)的功能。本實(shí)用新型 一方面在三維空間中類似三維鼠標(biāo)，可以幫助使用者方便地定位；另一方面，它可以感知和 估計(jì)使用者移動(dòng)交互裝置的位移、速度、加速度、方向和力度，這在模擬訓(xùn)練、游戲等方面有
重要應(yīng)用。 三維交互裝置和系統(tǒng)涉及兩種技術(shù)。 一是檢測(cè)人機(jī)交互裝置或持該器件的人體特 定部位的運(yùn)動(dòng)，二是將檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)信息經(jīng)過處理、分析和轉(zhuǎn)換，達(dá)到交互應(yīng)用的需要。目 前，這兩個(gè)方面的技術(shù)可綜述如下 中國專利200710169770. 9 "智能型高爾夫推桿"，利用兩組光電收發(fā)傳感器分別 接收從地面反射來的激光光束的時(shí)間差，計(jì)算得出擊球時(shí)的平均速度，即可判斷球能否進(jìn) 洞提供依據(jù)；還設(shè)有三維加速度傳感器采集X、 Y、 Z三個(gè)方向上的加速度，以及從推桿擊中 球到離開球整個(gè)過程中加速度的變化情況，最后計(jì)算出X、 Y、 Z三個(gè)方向上的受力。美國 專利7， 234， 351， "Electronic measurement of the motion ofa moving bodyof sports equipment"也是將加速度傳感器和陀螺儀嵌入高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等運(yùn)動(dòng)器械，測(cè)量運(yùn)動(dòng) 信息，用于訓(xùn)練。與此類似，美國專利用微型加速度傳感器、陀螺儀和磁力計(jì)來測(cè)量運(yùn)動(dòng)物 體的三維位置和方位信息。然而，以上專利雖然談到了使用微型加速度傳感器、陀螺儀和磁 力計(jì)來測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體在三維空間的運(yùn)動(dòng)信息。他們都沒有提到，加速度傳感器測(cè)出的加速 度并非僅是運(yùn)動(dòng)物體的加速度，其中重力加速度分量很大，不能將重力加速度從所測(cè)加速 度中分離出來，傳感器坐標(biāo)系的三個(gè)方向上的受力沒有多大意義；而且從加速度到位置信 息要經(jīng)過兩次積分，這兩個(gè)積分常數(shù)成了未知數(shù)。同樣，陀螺儀測(cè)量的是角速度，到角度也 要經(jīng)過一次積分。再者，微型傳感器數(shù)據(jù)噪聲極大，根本無法直接使用。也就是說，沒有進(jìn) 一步的傳感器數(shù)據(jù)的處理和分析方法，這些專利中的發(fā)明是無法實(shí)現(xiàn)的。 在交互應(yīng)用方面，中國專利200610127869. 8，"基于運(yùn)動(dòng)體動(dòng)作的智能交互裝置 及動(dòng)作位置的檢測(cè)方法"，運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法基于運(yùn)動(dòng)體佩戴項(xiàng)圈，通過安裝在項(xiàng)圈內(nèi)的角度 傳感器產(chǎn)生的彎曲形變，判斷運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)位置；中國專利200610083199. 4 "基于立體視 覺的游戲控制系統(tǒng)及方法"，使用標(biāo)定的攝像機(jī)獲得使用者相關(guān)部位的圖像，用姿態(tài)特征 時(shí)空信息及其相關(guān)性進(jìn)行區(qū)域選擇和特征提取，獲得三維位置和姿態(tài)信息并映射為游戲 控制命令，由系統(tǒng)和游戲控制接口，實(shí)現(xiàn)模擬游戲人物和場(chǎng)景漫游的實(shí)時(shí)控制功能。美國 專利7， 262， 760， "3D pointing devices withorientation compensation and improved usability",是一種方法，它將測(cè)得的交互裝置的運(yùn)動(dòng)和位置數(shù)據(jù)，從交互裝置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 到交互對(duì)象的坐標(biāo)，從而為交互鼠標(biāo)輸入數(shù)據(jù)。實(shí)際上，從測(cè)量出運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)到交互在很大程度上取決于應(yīng)用。上述三個(gè)專利中的交互方法也各不相同。 隨著各種三維技術(shù)的應(yīng)用，特別是訓(xùn)練、游戲、制造、醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等 的發(fā)展，對(duì)三維交互提出了越來越高的要求。人們希望有一種三維的人機(jī)交互。其一，它應(yīng) 能準(zhǔn)確地獲取交互裝置的三維方位和位置信息；其二，為了訓(xùn)練、游戲等的需要，我們要求 的不僅是位置信息，還要求三維運(yùn)動(dòng)(速度、加速度、軌跡)以及力度信息。其三，這種人機(jī) 交互裝置應(yīng)不受距離限制，它可以如通常的鼠標(biāo)，與計(jì)算機(jī)近距離使用，也可以如電視機(jī)遙 控器，甚至更遠(yuǎn)距離與所控制機(jī)器交互。其四，我們要求一種交互裝置能夠多用，滿足訓(xùn)練、 游戲、制造、醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等的需要。這就是本實(shí)用新型的三維人機(jī)交互裝置和 系統(tǒng)的目的。
實(shí)用新型內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的人機(jī)交互裝置本身運(yùn)動(dòng)的非線性和微型傳感器測(cè)量的 非線性問題和磁場(chǎng)受周圍環(huán)境影響問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種三維動(dòng)態(tài)定位設(shè) 備。
為達(dá)成所述目的，本實(shí)用新型提供三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，包括 三維人機(jī)交互裝置在自身的多個(gè)微型傳感器坐標(biāo)系中獲取并輸出三維人機(jī)交互 裝置的三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的多種傳感數(shù)據(jù)； 三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置與三維人機(jī)交互裝置連接，接收三維人機(jī)交互 裝置所采集的多傳感數(shù)據(jù)，并對(duì)多個(gè)微型傳感器所測(cè)具有噪聲和動(dòng)態(tài)變化的多傳感數(shù)據(jù)進(jìn) 行融合，獲得三維人機(jī)交互裝置在用戶坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置參數(shù)，即位置、速度、加 速度、方位、角速度的精確估值，推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)軌跡、作用力和方向；并轉(zhuǎn)換成應(yīng)用坐標(biāo)系中的交 互參數(shù)； 應(yīng)用和控制對(duì)象通過應(yīng)用接口與三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置連接，接收運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)和位置參數(shù)的精確估值以及由此推出的交互參數(shù)，用于控制應(yīng)用和控制對(duì)象；通過 應(yīng)用接口向三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置發(fā)送指令信息。 優(yōu)選地，三維人機(jī)交互裝置，包括多個(gè)微型傳感器、中央控制處理單元、無線通信 芯片、以及一組功能鍵，其中 多個(gè)微型傳感器提取三維人機(jī)交互裝置本身的三維位置和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過轉(zhuǎn)換 放大處理后輸出三維位置和運(yùn)動(dòng)模擬數(shù)據(jù)； 中央控制處理單元的各路模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)字入口分別連接到多個(gè)微型傳感器中 所有傳感器數(shù)據(jù)端，中央控制處理單元按設(shè)定的采樣率接收并對(duì)多個(gè)微型傳感器輸出的三 維位置和運(yùn)動(dòng)的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行控制和處理，獲得多個(gè)微型傳感器的采樣數(shù)據(jù)存放于中央控 制處理單元的寄存器中，并將這些采樣數(shù)據(jù)貼上時(shí)序標(biāo)簽和功能鍵指令一起打包并輸出采 樣數(shù)據(jù)和功能鍵指令；中央控制處理單元接收、解釋和執(zhí)行來自三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和 融合裝置所在計(jì)算機(jī)的命令； 無線通信芯片與中央控制處理單元連接，接收并輸出中央控制處理單元的功能鍵 指令和采樣數(shù)據(jù)；無線通信芯片建立三維人機(jī)交互裝置與三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝 置所在計(jì)算機(jī)或計(jì)算設(shè)備的通信，完成計(jì)算機(jī)或計(jì)算設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和命令的傳送； 功能鍵與中央控制處理單元連接，功能鍵的信息通過中斷，由中央控制處理單元將之打包傳送到三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置。 優(yōu)選地，所述微型傳感器為多種微型傳感器，多種微型傳感器為至少一個(gè)或一個(gè)
以上的三維加速度傳感器、三維陀螺儀、三維磁力計(jì)、超聲波測(cè)距儀、激光測(cè)距儀。 優(yōu)選地，所述功能鍵是初始化鍵或重置鍵、選擇鍵和功能顯示鍵。 優(yōu)選地，三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置包括數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、方位估計(jì)單元、
速度和位移估計(jì)模塊、運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊、交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊、以及應(yīng)
用接口，其中 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊分別與三維人機(jī)交互裝置連接，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊分別接收三維人 機(jī)交互裝置的微型傳感器測(cè)量該微型傳感器坐標(biāo)系中的加速度、角速度和磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)， 經(jīng)去噪聲和完整性檢測(cè)處理，生成并輸出傳感器坐標(biāo)系中的加速度、角速度和磁場(chǎng)測(cè)量的 數(shù)據(jù)流； 方位估計(jì)單元與數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊連接，方位估計(jì)單元接收并對(duì)傳感器坐標(biāo)系中的 加速度、角速度和磁場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，產(chǎn)生并輸出在磁場(chǎng)變化和人機(jī)交互裝置本 身加速度較大情況下的方位估值； 速度和位移估計(jì)模塊與方位估計(jì)單元的加速度估計(jì)模塊連接，速度位移估計(jì)模塊 使用來自加速度估計(jì)模塊的人機(jī)交互裝置本身的加速度估值，通過積分得到速度和位移數(shù) 據(jù)； 運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊與方位估計(jì)模塊和速度和位移估計(jì)模塊連接，接受方位 估計(jì)模塊和速度和位移估計(jì)模塊來的方位估值、速度和位移數(shù)據(jù)，形成人機(jī)交互裝置在用 戶坐標(biāo)系中各時(shí)刻的狀態(tài)，包括方位、角速度、加速度、速度、位移和位置，并進(jìn)而推出運(yùn)動(dòng) 軌跡、作力方向和力度； 交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊與運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊連接，交互參數(shù)產(chǎn)生 和功能管理模塊根據(jù)用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系的關(guān)系，把在用戶坐標(biāo)系下的位置、運(yùn)動(dòng)軌 跡、作力方向和力度參數(shù)，在功能鍵的控制下，按要求對(duì)人機(jī)交互裝置的方位角、角速度、加 速度、速度、位移、運(yùn)動(dòng)軌跡、作力方向和力度進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算和加工，輸出應(yīng)用交互參數(shù)； 應(yīng)用接口分別與交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊和應(yīng)用和控制對(duì)象連接，應(yīng)用接 口接收并轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用坐標(biāo)系中得出的應(yīng)用交互參數(shù)給應(yīng)用和控制對(duì)象。 優(yōu)選地，所述方位估計(jì)單元由方位估計(jì)模塊、磁場(chǎng)估計(jì)模塊、加速度估計(jì)模塊和置 初值模塊組成，用于降低偏移，提高估值精度，其中 方位估計(jì)模塊的輸入端分別與數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、磁場(chǎng)估計(jì)模塊、加速度估計(jì)模塊、 置初值模塊的輸出端連接，接收角速度數(shù)據(jù)流、接收磁場(chǎng)估計(jì)模塊的磁場(chǎng)信號(hào)、接收加速度 估計(jì)模塊重力加速度信號(hào)，接收置初值模塊的的初始方位信號(hào)；方位估計(jì)模塊使用貝葉斯 估值方法，以置初值模塊的初始方位值為起點(diǎn)，以陀螺儀的角速度測(cè)量數(shù)據(jù)為主，同時(shí)融合 磁場(chǎng)和重力加速度對(duì)方位角估值的制約，從而實(shí)現(xiàn)方位的低偏差估值；使用了非線性估值 濾波器來降低運(yùn)動(dòng)的非線性和傳感器測(cè)量的非線性可能產(chǎn)生的誤差；方位估計(jì)模塊分別向 運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊、磁場(chǎng)估計(jì)模塊和加速度估計(jì)模塊輸出方位估值； 磁場(chǎng)估計(jì)模塊分別與數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和方位估計(jì)模塊連接，接收數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊 輸出的磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)流、接收方位估計(jì)模塊的方位估值，使用非線性估值方法實(shí)現(xiàn)對(duì)隨位 置和時(shí)間變化的磁場(chǎng)進(jìn)行估值；磁場(chǎng)估值的結(jié)果送往方位估計(jì)模塊參與下一時(shí)刻的方位估值； 加速度估計(jì)模塊分別與數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和方位估計(jì)模塊連接，接收加速度數(shù)據(jù)流 和方位估計(jì)模塊輸出的方位信號(hào)，加速度估計(jì)模塊使用非線性估值濾波器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互裝 置本身在傳感器坐標(biāo)系下的加速度的估值，用估值結(jié)果從加速度測(cè)量數(shù)據(jù)中分離出重力加 速度分量，送往方位估計(jì)模塊中，參與方位的下一時(shí)刻的估值融合；同時(shí)，使用方位估計(jì)模 塊提供的方位估值，將傳感器坐標(biāo)系中的加速度估值轉(zhuǎn)換到用戶坐標(biāo)系中，送往速度和位 移估計(jì)模塊； 置初值模塊與方位估計(jì)模塊、速度和位移估計(jì)模塊和交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理 模塊連接，置初值模塊中的系統(tǒng)初始化子模塊和坐標(biāo)系重置子模塊通過方位估計(jì)模塊、速 度和位移估計(jì)模塊和交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊對(duì)方位、速度、位置和用戶和應(yīng)用的 坐標(biāo)系關(guān)系置初值；在接收控制鍵入信號(hào)和指令解釋信號(hào)時(shí)在簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景下的重置初 值。 優(yōu)選地，應(yīng)用和控制對(duì)象通過應(yīng)用接口發(fā)往三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置的 指令信息有應(yīng)用名稱、數(shù)據(jù)取樣率要求、幫助信息、初始化值；向人機(jī)交互裝置發(fā)出數(shù)據(jù) 取樣率控制命令，同時(shí)定期發(fā)出讀取人機(jī)交互裝置的電源管理單元的電源值，判定系統(tǒng)的 工作狀態(tài)參數(shù)。 優(yōu)選地，系統(tǒng)初始化子模塊使用磁力計(jì)所測(cè)得的磁場(chǎng)的主方向和加速度傳感器中 測(cè)得的重力加速度方向，為傳感器坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系關(guān)系置默認(rèn)初置；使用初始場(chǎng)景為 用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系關(guān)系置默認(rèn)初值；根據(jù)初始場(chǎng)景的不同，系統(tǒng)初始化子模塊具有 不同的三維人機(jī)交互裝置初始位置和不同的方位、速度和位置初值。 優(yōu)選地，所述三維人機(jī)交互裝置是方便手握、頭戴、腳捆或身穿方式附著在人的身 體的某部分的形狀，該形狀可以是手持的矩形狀、筆狀、指揮棒狀、握于手中的球狀、植入帽 中的薄片、緊固于腳、小腿或臂上的薄片。 —種三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，用于訓(xùn)練、游戲、制造、醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)的各種 三維應(yīng)用外，也可以應(yīng)用于機(jī)器的定位、導(dǎo)航和控制中。 本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型的設(shè)備把整個(gè)交互定義為在三個(gè)坐標(biāo)系下的 傳感器數(shù)據(jù)獲取、處理、融合和轉(zhuǎn)換過程。這三個(gè)坐標(biāo)系是，傳感器坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系和應(yīng) 用坐標(biāo)系。它們分別對(duì)應(yīng)于人機(jī)交互裝置、用戶和應(yīng)用對(duì)象。三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備在傳感器 坐標(biāo)系中獲取三維人機(jī)交互裝置的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，在用戶坐標(biāo)系中估計(jì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，并進(jìn) 一步將它們轉(zhuǎn)換成應(yīng)用坐標(biāo)系中的交互參數(shù)。本實(shí)用新型允許同一個(gè)應(yīng)用中有一個(gè)或多個(gè) 用戶，同一個(gè)用戶使用一個(gè)或多個(gè)人機(jī)交互裝置。 與現(xiàn)有技術(shù)不同，本實(shí)用新型的考慮了微型傳感器，特別是微型陀螺儀、微型加速 度計(jì)和微型磁力計(jì)以及它們所測(cè)角速度、加速度和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的噪聲大、動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，本 實(shí)用新型能有效地融合多種傳感器數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的高精度估值，能實(shí)時(shí)估計(jì)位置、速度、 加速度、方位、角速度，并推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)軌跡、作用力和方向等，滿足訓(xùn)練、游戲、制造、醫(yī)療、虛擬 現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等各種三維應(yīng)用的交互需要。 本實(shí)用新型具有功能鍵、系統(tǒng)初始化和重置、與應(yīng)用交互和系統(tǒng)管理等功能，因此 可以與不同的三維應(yīng)用實(shí)現(xiàn)理想的三維交互。 特別要著重指出的是，運(yùn)動(dòng)和位置參數(shù)的估值精度一直是制約很多應(yīng)用的瓶頸。本實(shí)用新型在提高運(yùn)動(dòng)和位置參數(shù)估值精度，滿足應(yīng)用要求上，采取了一系列新技術(shù)手段。這包括為了解決人機(jī)交互裝置本身運(yùn)動(dòng)的非線性和微型傳感器測(cè)量的非線性問題，本實(shí)
用新型在估值中使用能有效應(yīng)對(duì)3次非線性問題的區(qū)F(Unscented Kalman Filter)濾波器；在應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)受周圍環(huán)境影響而變化問題時(shí)，我們首先估計(jì)磁場(chǎng)，在把磁場(chǎng)估計(jì)值送往數(shù)據(jù)融合方位估計(jì)；在解決加速度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)中的重力加速度分量時(shí)，我們首先估計(jì)人機(jī)交互裝置本身的加速度，再將重力加速度分量分離出來；更重要的是，我們發(fā)明了一整套多傳感器(陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì))數(shù)據(jù)融合進(jìn)行高精度方位、速度和位置估值的方法。[0039] 本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)多少年來希望與機(jī)器的交互如同人與人之間一樣方便的愿望。本實(shí)用新型還可以手握、腳持、頭戴、身穿等動(dòng)作，使人機(jī)交互在三維空間中向更廣闊的應(yīng)用發(fā)展。同時(shí)，作為一個(gè)能測(cè)量和估計(jì)三維運(yùn)動(dòng)和位置參數(shù)的裝置，本實(shí)用新型也可以用在各種運(yùn)動(dòng)物體的導(dǎo)航，虛擬世界和物理世界的交互等領(lǐng)域。
圖1是本實(shí)用新型三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本實(shí)用新型中三維人機(jī)交互裝置在用戶坐標(biāo)系中的位置和方位示意圖； 圖3是本實(shí)用新型一實(shí)施例的三維人機(jī)交互裝置的結(jié)構(gòu)圖； 圖4是本實(shí)用新型一實(shí)施例的三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型技術(shù)方案中所涉及的各個(gè)細(xì)節(jié)問題。應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本實(shí)用新型的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。[0045] 為了幫助理解本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容，我們先敘述兩個(gè)應(yīng)用本實(shí)用新型的"三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備"的應(yīng)用場(chǎng)景。場(chǎng)景之一是，在計(jì)算機(jī)大屏幕上顯示了一人體腦部的醫(yī)學(xué)斷層和核磁共振的三維重建圖，幾個(gè)醫(yī)生在討論醫(yī)療方案。每個(gè)醫(yī)生手中都持有一個(gè)本實(shí)用新型的"三維人機(jī)交互裝置100"，他們可以方便地在三維腦圖中定位、指示，并能在指定位置做一定的操作。這是擴(kuò)展的遙控三維鼠標(biāo)加功能鍵。當(dāng)然，由于本實(shí)用新型的三維人機(jī)交互裝置100在三維空間中的定位、指示和功能選擇等，它也可以用于其它的一些交互圖形繪制和編輯等。這里，我們稱醫(yī)生手持的器件為"三維人機(jī)交互裝置IOO"，稱醫(yī)生為"用戶";計(jì)算機(jī)三維人腦三維圖像的重建、分析和操作系統(tǒng)稱為"應(yīng)用";在應(yīng)用所處的計(jì)算機(jī)中，接收、處理、融合傳感器數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出應(yīng)用所需交互參數(shù)的子系統(tǒng)，則稱為"三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200"。通常，每一個(gè)用戶有一個(gè)或多個(gè)三維人機(jī)交互裝置IOO，每一個(gè)應(yīng)用可以有一個(gè)或多個(gè)用戶。 又例如，三維虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練和游戲系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)人對(duì)人，或人對(duì)虛擬人的訓(xùn)練或游戲，如打球。其中二人可以在一起，也可以遠(yuǎn)隔千里。他們不需要實(shí)際球場(chǎng)，以顯示屏幕為對(duì)象。這時(shí)，本實(shí)用新型的"三維人機(jī)交互裝置100"即為虛擬球拍。玩者(即"用戶")揮動(dòng)球拍(交互裝置)時(shí)的速度、加速度、軌跡、角度、角速度，等都可以由"三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200"從三維交互人機(jī)裝置100中傳感器的數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出來。這些擊球參數(shù)就可以用來進(jìn)一步導(dǎo)出球被擊后的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然也就可以使這場(chǎng)虛擬比賽如現(xiàn)實(shí)中一樣開展起來，勝負(fù)也就有了。打得好的球和沒有打好的球的擊球動(dòng)作的紀(jì)錄
9可以調(diào)出來，分析原因，找出改進(jìn)之所在。這里，"應(yīng)用"即為虛擬球賽的實(shí)現(xiàn)、顯示和管理。[0047] 如圖1示出本實(shí)用新型三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖；本實(shí)用新型由三維人機(jī)交互裝置100和三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200組成。三維人機(jī)交互裝置100獲取該裝置本身的三維位置和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，以及使用者的指令，發(fā)給三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200。三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200處理和分析三維人機(jī)交互裝置100來的三維位置和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，估計(jì)出三維人機(jī)交互裝置100在任一時(shí)刻在三維空間中的三維位置和方位，共6個(gè)參數(shù)；并進(jìn)而根據(jù)應(yīng)用要求，使用這6個(gè)參數(shù)及其時(shí)間序列，推導(dǎo)出應(yīng)用空間中的控制參數(shù)。 三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，包括該系統(tǒng)把整個(gè)交互定義為在三個(gè)坐標(biāo)系下的傳感器數(shù)據(jù)獲取、處理、融合和轉(zhuǎn)換過程，其中 三維人機(jī)交互裝置100在自身的傳感器坐標(biāo)系中獲取并輸出三維人機(jī)交互裝置100的三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傳感數(shù)據(jù)，三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200接收傳感數(shù)據(jù)，并且在用戶坐標(biāo)系中使用傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置參數(shù)的估值，并進(jìn)一步將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成應(yīng)用坐標(biāo)系中的交互參數(shù)； 三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200對(duì)多傳傳感器所測(cè)具有噪聲和動(dòng)態(tài)變化
的多傳感數(shù)據(jù)(如角速度、加速度和磁場(chǎng)傳感數(shù)據(jù))進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的精確估
值，實(shí)時(shí)估計(jì)位置、速度、加速度、方位、角速度，并推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)軌跡、作用力和方向； 三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200進(jìn)而通過應(yīng)用接口 260與應(yīng)用和控制對(duì)象
300連接，三維人機(jī)交互裝置100通過三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200、應(yīng)用接口 260
和應(yīng)用和控制對(duì)象300實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理；置初值模塊224根據(jù)應(yīng)用通過方位估計(jì)模塊、速度和
位移估計(jì)模塊和交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊250對(duì)方位、速度、位置和用戶和應(yīng)用的
坐標(biāo)系關(guān)系置初值。 1、傳感器、用戶和應(yīng)用坐標(biāo)系 在上述三維醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用和虛擬球場(chǎng)的兩個(gè)應(yīng)用例中，我們?cè)O(shè)定了三維交互系統(tǒng)的三個(gè)基本要素三維人機(jī)交互裝置、用戶和應(yīng)用。 一個(gè)應(yīng)用可以有一個(gè)或多個(gè)用戶，每個(gè)用戶也可以使用一個(gè)或多個(gè)三維人機(jī)交互裝置。三維人機(jī)交互裝置、用戶和應(yīng)用也有各自的空間或坐標(biāo)系，它們分別是傳感器坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系。
圖2示出了本實(shí)用新型三維人機(jī)交互裝置相對(duì)于用戶坐標(biāo)系的位置和方位。由于
某一人機(jī)交互裝置ioo是由某一用戶使用的，而每一個(gè)用戶都有他自己的坐標(biāo)系，稱"用戶
坐標(biāo)系"。不同的用戶有不同的坐標(biāo)系，用戶坐標(biāo)系不同于全局坐標(biāo)系。在交互應(yīng)用中，應(yīng)用對(duì)象也會(huì)有自己的坐標(biāo)系，我們稱之為"應(yīng)用坐標(biāo)系"。例如前面例中醫(yī)生們所研究的人腦三維重建圖像的坐標(biāo)系，虛擬球場(chǎng)的坐標(biāo)系等，都是"應(yīng)用坐標(biāo)系"之例，它們沒有在圖2中示出。由于對(duì)于每一個(gè)不同的應(yīng)用，都有如何處理用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系的特殊要求。
當(dāng)一用戶開始使用一人機(jī)交互裝置ioo，并選擇或加入了某應(yīng)用之后，便需要設(shè)定"用戶坐
標(biāo)系"(x， y， z)和應(yīng)用坐標(biāo)系及它們的關(guān)系。 人機(jī)交互裝置100中的所有微型傳感器110都校準(zhǔn)到一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系，我們稱之為"傳感器坐標(biāo)系"(x'，y'，z')。所有獲得的傳感器數(shù)據(jù)都在傳感器坐標(biāo)系中。該傳感器坐標(biāo)系在用戶坐標(biāo)系中坐標(biāo)點(diǎn)x，y，z的位置就是我們要求的人機(jī)交互裝置100的位置x=(x，y，z)，而傳感器坐標(biāo)系相對(duì)于用戶坐標(biāo)系的方位角a ， 13 ， Y就是我們要求的人機(jī)交互裝置100的方位q = (a ， 13 ， Y)。當(dāng)用戶開始使用并初始化或重置人機(jī)交互裝置100時(shí)，三維人機(jī)交互裝置100的初始位置是x。 = (x。，y。，z。)，其中傳感器坐標(biāo)系在用戶坐標(biāo)系中的初始位置的坐標(biāo)點(diǎn)為x。， y。， z。和和初始方位是q。二 (a。， |3 。， Y。)，其中傳感器坐標(biāo)系在用戶坐標(biāo)系中的初始方位的方位角為a。， P。， Y。。 在設(shè)定了三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備的三個(gè)坐標(biāo)系，即傳感器坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系之后，下面敘述的實(shí)用新型之核心是，在傳感器坐標(biāo)系中獲取三維運(yùn)動(dòng)和位置數(shù)據(jù)，在用戶坐標(biāo)系中融合多傳感器數(shù)據(jù)，估計(jì)出各三維人機(jī)交互裝置的運(yùn)動(dòng)和位置參數(shù)，最后在應(yīng)用坐標(biāo)系中產(chǎn)生出對(duì)該應(yīng)用有意義的交互參數(shù)或概念。具體地說，三維人機(jī)交互裝置100在傳感器坐標(biāo)系中獲取本身的運(yùn)動(dòng)和位置的傳感器數(shù)據(jù)，方位估計(jì)單元220、速度和位移估計(jì)模塊230和運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊240使用傳感器數(shù)據(jù)估計(jì)出三維人機(jī)交互裝置100在用戶坐標(biāo)系中的方位、位置、運(yùn)動(dòng)和力度參數(shù)。由于傳感器坐標(biāo)系是以人機(jī)交互裝置中的傳感器坐標(biāo)來定義的，三維人機(jī)交互裝置100在用戶坐標(biāo)系中的方位、位置、運(yùn)動(dòng)和力度參數(shù)實(shí)際上是傳感器坐標(biāo)系與用戶坐標(biāo)系的關(guān)系參數(shù)。交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊250以及應(yīng)用接口 260則使用用戶坐標(biāo)系中的參數(shù)，以及用戶坐標(biāo)系與應(yīng)用坐標(biāo)系的關(guān)系，根據(jù)應(yīng)用要求，產(chǎn)生出相應(yīng)的交互參數(shù)或概念。這里，既有從用戶坐標(biāo)系向應(yīng)用坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，也有自運(yùn)動(dòng)參數(shù)向動(dòng)作概念的聚類。由動(dòng)作到手語即是動(dòng)作概念聚類之一例。[0057] 傳感器坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系之間，用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系之間都是N:1的關(guān)系(N在此表示大于等于1的整數(shù)。這就是說多個(gè)用戶坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)于1個(gè)應(yīng)用坐標(biāo)系)。在下面的敘述中和示意圖中，我們僅以1:1最簡(jiǎn)單的情況為例來說明。N:1的情況僅是下面所詳細(xì)敘述的1:1情況的簡(jiǎn)單推廣，沒有任何技術(shù)的難度。 傳感器坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系之關(guān)系，以及用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系之關(guān)系的初始值都是由"初始化/置初值模塊224"設(shè)定的。本實(shí)用新型將提供兩種途徑來獲得初值，一種是使用默認(rèn)值的初始化，另一種是人為設(shè)定的重置。具體細(xì)節(jié)將在敘述到初始化/置初值模塊224時(shí)詳細(xì)說明。 仍以三維醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用為例。3個(gè)醫(yī)生各持三維人機(jī)交互裝置，啟動(dòng)了該應(yīng)用。這里，為了簡(jiǎn)單起見，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)選默認(rèn)傳感器坐標(biāo)系在用戶坐標(biāo)系中的定標(biāo)，由醫(yī)生們將三維人機(jī)交互裝置指向顯示器的中心，為用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系定標(biāo)。此后，一醫(yī)生移動(dòng)三維人機(jī)交互裝置，選擇了一個(gè)疑似腫瘤的位置，并用功能鍵選擇了放大，把此部分圖像呈現(xiàn)給另兩位醫(yī)生。另一位醫(yī)生則進(jìn)一步選擇著色和旋轉(zhuǎn)，做進(jìn)一步研究和討論。同時(shí)，他們也以三維人機(jī)交互裝置作為手術(shù)刀，對(duì)手術(shù)進(jìn)行了模擬。 在完成了討論之后，已是過下班時(shí)間。他們選擇以他們手中的三維人機(jī)交互裝置為球桿，進(jìn)行了 一場(chǎng)高爾夫球比賽。[0061] 2、三維人機(jī)交互裝置100 三維人機(jī)交互裝置可以是任意形狀，方便手握、頭戴、腳捆或身穿等方式附著在人的身體的某部分。例如，它可以如手持的電視機(jī)遙控器狀、筆或指揮棒狀，握于手中的球狀，植入帽中的和緊固于腳、小腿或臂上的薄片等。 從信息技術(shù)的角度說，三維人機(jī)交互裝置100是一微型嵌入式系統(tǒng)。它包括多個(gè)微型傳感器110、中央控制處理單元120、無線通信芯片130、以及一組功能鍵140。[0064] 三維人機(jī)交互裝置100中
11[0065] 微型傳感器110可以包括部分或全部下列傳感器三維加速度計(jì)、三維陀螺儀、三維磁力計(jì)、超聲波測(cè)距儀、激光測(cè)距儀等。所述三維加速度可以選用微型三維加速度計(jì)或其他型號(hào)則不再贅述，所述超聲波測(cè)距儀選用微型超聲波測(cè)距儀或其他型號(hào)則不再贅述，激光測(cè)距儀可以選用微型激光測(cè)距儀則或其他型號(hào)不再贅述；這些微型傳感器110測(cè)量與該三維人機(jī)交互裝置100的位置和方位有關(guān)的數(shù)據(jù)其中微型三維加速度計(jì)測(cè)量沿其三維坐標(biāo)軸的加速度數(shù)據(jù)，重力加速度也混在其中。三維陀螺儀測(cè)量沿其三維坐標(biāo)軸該人機(jī)交互裝置100的角速度，三維磁力計(jì)則測(cè)量三個(gè)坐標(biāo)方向上的磁場(chǎng)分量。微型超聲波測(cè)距儀和微型激光測(cè)距儀則可用于測(cè)量該人機(jī)交互裝置100與所交互計(jì)算設(shè)備或其它參照物的較為精確的距離。 微型傳感器110中所有傳感器數(shù)據(jù)都分別連接到中央控制處理單元120的各路模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)字入口 。中央控制處理單元120是對(duì)整個(gè)三維人機(jī)交互裝置100進(jìn)行控制和處理。通常，它內(nèi)部有幾個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC)，將微型傳感器110的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)前置放大器放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。中央控制處理單元120讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)的動(dòng)作就是對(duì)微型傳感器110數(shù)據(jù)的采樣。因此，中央控制處理單元120以一定的采樣率分別采樣各微型傳感器IIO數(shù)據(jù)，存放于中央控制處理單元120的寄存器中，并將這些數(shù)據(jù)貼上時(shí)序標(biāo)簽，和功能鍵指令一起，打包送往無線通信芯片130或有線通信通道。 作為中央控制處理單元120，采用微處理器或控制器時(shí)也按照預(yù)先嵌入的程序，控制和改變采樣率、作時(shí)間復(fù)位、對(duì)數(shù)據(jù)作必要的預(yù)處理，等等。 無線通信芯片130建立三維人機(jī)交互裝置100與三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200所在計(jì)算機(jī)或計(jì)算設(shè)備的通信，完成它們之間的數(shù)據(jù)和命令的傳送。在傳輸距離不很長的情況下，可以使用藍(lán)牙、Zigbee等現(xiàn)有無線通信技術(shù)、芯片和協(xié)議。在三維人機(jī)交互裝置100中，無線通信芯片130與中央控制處理單元120連接，接收中央控制處理單元120的指令和數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送往三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200 ;通過無線通信芯片130，中央控制處理單元120接收、解釋和執(zhí)行來自三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200所在計(jì)算機(jī)的命令(如切換應(yīng)用，改變?nèi)勇实?。在三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200所在計(jì)算機(jī)端，三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200所在計(jì)算機(jī)與無線通信芯片130按通信協(xié)議建立通信后，接收三維人機(jī)交互裝置100的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，向三維人機(jī)交互裝置100發(fā)送指令。在有些情況下，可以不用無線通信，而采用有線通信方式，如將三維人機(jī)交互裝置100的數(shù)據(jù)線從USB 口接入三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200所在計(jì)算機(jī)或計(jì)算設(shè)備。 功能鍵140可以包括初始化或重置鍵、選擇鍵(如鼠標(biāo)的左鍵)、功能顯示鍵(如鼠標(biāo)的右鍵)，等。在三維人機(jī)交互裝置100中，功能鍵140與中央控制處理單元120連接，功能鍵140信息通過中斷，由中央控制處理單元120將之打包傳送到三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200。 3、三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200 如圖4所示，三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200 —般以軟件的形式與應(yīng)用一起，存在于應(yīng)用計(jì)算機(jī)或其它應(yīng)用設(shè)備中。例如，與視頻游戲共同存在于游戲計(jì)算機(jī)中或游戲機(jī)中，與三維醫(yī)學(xué)圖像顯示和手術(shù)模擬系統(tǒng)共同存在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。當(dāng)然，三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200也可以與三維人機(jī)交互裝置100共同存在于三維人機(jī)交互裝置的硬件中，甚至固化于芯片中。 三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200包括下述模塊的部分或全部數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊210、方位估計(jì)單元220、速度和位移估計(jì)模塊230、運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊240、交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊250、應(yīng)用接口 260。運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊240是對(duì)人機(jī)交互裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡和力度進(jìn)行分析的模塊；交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊250是交互鼠標(biāo)參數(shù)的產(chǎn)生和功能鍵的管理模塊；應(yīng)用接口 260是對(duì)系統(tǒng)管理、控制和應(yīng)用的接口 ；[0073] 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊210對(duì)從人機(jī)交互裝置100采集和傳送來的數(shù)據(jù)作預(yù)處理。預(yù)處理包括核對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)序標(biāo)簽，處理數(shù)據(jù)丟失情況，進(jìn)行去噪聲濾波等。若有數(shù)據(jù)丟失，通常采取插值的方法來補(bǔ)齊丟失的數(shù)據(jù)。 方位估計(jì)單元220包括以陀螺儀所測(cè)得的角速度的積分來估計(jì)方位的方位估計(jì)模塊221，以磁力計(jì)輸出來估計(jì)磁場(chǎng)并用于矯正方位的磁場(chǎng)估計(jì)模塊222，以加速度傳感器數(shù)據(jù)來估計(jì)加速度并用重力加速度來矯正方位的加速度估計(jì)模塊223，以及重置初值的置初值模塊224。在方位估計(jì)模塊221中，使用三維陀螺儀測(cè)得的角速度進(jìn)行積分，求得人機(jī)交互裝置100相對(duì)于初始方位的三個(gè)方位角(a ， |3 ， Y )。[0075] 為了提高精度，采用如下方法 a)由于三維陀螺儀測(cè)得的是角速度測(cè)量值，該測(cè)量值是實(shí)際值和噪聲的疊加，而且，角速度的變化可以是線性或非線性的。為了獲得實(shí)際角速度，需要采用貝葉斯估值方法。由于估值方程的非線性，我們可以采用擴(kuò)展的卡爾曼濾波或Unscented卡爾曼濾波。[0077] b)三維陀螺儀測(cè)量的是角速度，僅用三維陀螺儀數(shù)據(jù)的積分來估值方位角，會(huì)出現(xiàn)偏差。為此，我們加入磁力計(jì)測(cè)得的磁場(chǎng)(通常假設(shè)磁場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定或變化緩慢，磁力計(jì)的測(cè)量值也相對(duì)穩(wěn)定或變化緩慢)和加速度計(jì)測(cè)得的加速度(加速度計(jì)測(cè)得的值中，很大一部分是重力加速度，去除人機(jī)交互裝置100本身的加速度之后，重力加速度的大小和方向是非常穩(wěn)定的)，組成共同的運(yùn)動(dòng)方程和測(cè)量方程，實(shí)施動(dòng)態(tài)估值運(yùn)算，求得較為可靠的方位角估值。 c)在現(xiàn)實(shí)中，磁場(chǎng)會(huì)因?yàn)橹車h(huán)境中的用電設(shè)備等的存在而變化。但這種變化是緩慢的。因此，在使用磁場(chǎng)對(duì)使用陀螺儀數(shù)據(jù)估計(jì)出的方位角進(jìn)行校正的同時(shí)，磁場(chǎng)估計(jì)模塊222對(duì)緩慢變化的磁場(chǎng)進(jìn)行估值。 d)同樣，加速度估計(jì)模塊223也對(duì)人機(jī)交互裝置100本身的加速度進(jìn)行估值，記為a。在任一時(shí)刻，三維加速度計(jì)的測(cè)量值應(yīng)是重力加速度、人機(jī)交互裝置100本身加速度和測(cè)量噪聲之和。由于加速度、方位角和磁場(chǎng)都是人機(jī)交互裝置100的狀態(tài)變量，以此可以寫出貝葉斯估值方法中的測(cè)量方程。人機(jī)交互裝置100的加速度可以用貝葉斯方法進(jìn)行估值。求得估值之后，我們可以得到重力加速度在人機(jī)交互裝置100當(dāng)時(shí)坐標(biāo)系之下的值。這個(gè)值也同時(shí)用于對(duì)使用陀螺儀數(shù)據(jù)估計(jì)出的方位角進(jìn)行校正，達(dá)到減少偏差的目的。[0080] 在前面，我們已經(jīng)估計(jì)出人機(jī)交互裝置100的方位，即相對(duì)于用戶坐標(biāo)系的三個(gè)方位角，以及人機(jī)交互裝置100本身在用戶坐標(biāo)系中的加速度(ax，ay，az)。這樣，經(jīng)過積分運(yùn)算，可以得出其在用戶坐標(biāo)系中的速度和位移。速度和位移估計(jì)模塊230使用來自加速度估計(jì)模塊223的人機(jī)交互裝置100在用戶坐標(biāo)系中的三維加速度數(shù)據(jù)，以及經(jīng)置初值模塊224獲得速度初值和位置初值，經(jīng)對(duì)加速度的一次積分獲得人機(jī)交互裝置100在用戶坐標(biāo)系中的速度(vx，vy，vz);再對(duì)速度積分，獲得人機(jī)交互裝置100在用戶坐標(biāo)系中的位移和 位置(x， y， z)。 從三維加速度傳感器數(shù)據(jù)估算出的速度和位移，由于微型角速度傳感器的噪聲和 漂移，測(cè)量精度不是很高，但可以滿足很多應(yīng)用要求。對(duì)于精度要求高的應(yīng)用，可以加入超 聲測(cè)距或激光測(cè)距，來測(cè)量人機(jī)交互裝置100相對(duì)于某特定目標(biāo)(如訓(xùn)練和游戲?qū)ο?、屏?等)的距離，來補(bǔ)償以上測(cè)量和估值的精度。 至此，在任意時(shí)刻，我們可以估計(jì)出人機(jī)交互裝置100在用戶坐標(biāo)系中的位置、速 度、加速度、方位角、角速度，由此形成此時(shí)刻的狀態(tài)矢量(x，v，a，q，")。這樣，人機(jī)交互裝 置的運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊240就可以方便地得出人機(jī)交互裝置100或它所代表的人體 (拳、腳等)或器械(球拍等)的軌跡。在給定質(zhì)量(或重量)的情況下，可以使用速度算 出動(dòng)量，或使用加速度算出力的大小和方向。 如使用人機(jī)交互裝置100代表球拍等運(yùn)動(dòng)器械，或?qū)⑷藱C(jī)交互裝置100嵌入球拍 等運(yùn)動(dòng)器械之中時(shí)，我們這里算出的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)矢量(x， v， a， q，")是傳感器坐標(biāo)系 相對(duì)于用戶坐標(biāo)系而言的。如已知用戶坐標(biāo)系與應(yīng)用坐標(biāo)系的關(guān)系，如圖2所示，傳感器坐 標(biāo)系(x'，y'，z')中沿y'軸的所有點(diǎn)的方位角q和角速度"都相同。因此，以球拍為例， 當(dāng)擊球點(diǎn)與傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)之距離已知(如記為d)，在用戶坐標(biāo)系中，由于已知人機(jī)交 互裝置100坐標(biāo)系原點(diǎn)位置、速度和加速度，擊球點(diǎn)的位置、速度和加速度可以直接用立體 幾何的方法求出。由此，在擊球瞬間，由球拍擊球點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)矢量(x，v，a，q，")以及球 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)矢量，我們可以求出擊球后球的運(yùn)動(dòng)，從而完成虛擬訓(xùn)練或游戲中的擊球和球 的運(yùn)動(dòng)的"真實(shí)"模擬。 同時(shí)，我們也可以根據(jù)擊球效果，調(diào)出相應(yīng)的擊球動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)矢量序列，特別 對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡和發(fā)力過程進(jìn)行定量分析，可以改進(jìn)擊球動(dòng)作。也可以進(jìn)一步寫出特定動(dòng)作 的重復(fù)訓(xùn)練程序，根據(jù)擊球后球的運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)擊球效果，再根據(jù)擊球過程的人機(jī)交互裝置100 的運(yùn)動(dòng)軌跡和發(fā)力點(diǎn)和發(fā)力過程，以及它們與擊球效果的相關(guān)，評(píng)價(jià)當(dāng)前擊球動(dòng)作的評(píng)價(jià)， 給出新的擊球方法的建議。 交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊250的功能是要使用自運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模 塊240的狀態(tài)參數(shù)求出在應(yīng)用坐標(biāo)系的三維空間中的交互參數(shù)，并完成功能鍵的管理。例 如，在三維圖形圖像編輯應(yīng)用中，它主要包括定位和選擇以及連續(xù)畫圖。在特殊需要的情 況下，也可把字符輸入包括進(jìn)來。這樣，在一般情況下，本實(shí)用新型中人機(jī)交互裝置100上 的功能鍵只包括開關(guān)、初始化/重置、選擇、功能顯示。當(dāng)開啟人機(jī)交互裝置ioo或使用初 始化或復(fù)位鍵時(shí)，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，同時(shí)給人機(jī)交互裝置100的位置、速度和方位角置初 值。由于功能鍵往往與應(yīng)用接口，因此放在這一模塊中加以管理。 由于三維人機(jī)交互裝置的數(shù)據(jù)經(jīng)方位估計(jì)單元220和速度和位移估計(jì)模塊230后 可得其三維位置和方位，在用作三維鼠標(biāo)時(shí)，只需要定位。因此，我們可以用獲得的三維位 置來為三維鼠標(biāo)定位，也可以將獲得的三維方位轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)來為三維鼠標(biāo)定位。 系統(tǒng)管理、控制的應(yīng)用接口 260是整個(gè)系統(tǒng)向下與人機(jī)交互裝置100的接口和向 上與應(yīng)用和控制對(duì)象300的接口。應(yīng)用接口 260參數(shù)包括，自應(yīng)用應(yīng)用名稱、數(shù)據(jù)取樣率 要求、幫助信息、初始化值；自人機(jī)交互裝置功能鍵值、鼠標(biāo)位置、三維位置、三維方位。系 統(tǒng)管理和控制解讀應(yīng)用要求，向人機(jī)交互裝置100發(fā)出數(shù)據(jù)取樣率等控制命令。同時(shí)定期讀取人機(jī)交互裝置100的狀態(tài)參數(shù)，如電源水平等，判定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)管理、控制 的應(yīng)用接口 260與人機(jī)交互裝置的接口參數(shù)包括命令、功能鍵、三維傳感器數(shù)據(jù)。 現(xiàn)以一具體實(shí)施例來進(jìn)一步說明實(shí)施細(xì)節(jié)。如前所述，本實(shí)用新型不局限于此例。 圖3示出本實(shí)用新型一實(shí)施例的三維人機(jī)交互裝置的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)流程圖。圖3中， 微型傳感器110，采用三種微型傳感器即三軸加速度計(jì)111、三軸陀螺儀112和三軸磁力計(jì) 113。中央控制處理單元120采用微型控制器(為了便于理解記憶，將中央控制處理單元120 的一種形式為微型控制器也加標(biāo)記號(hào)為120)，微型控制器120包括模數(shù)轉(zhuǎn)換接口 121、 12C 接口 122、定時(shí)器123、控制芯片124、寄存器125、中斷管理器126、串口模塊127。還包括一 個(gè)電源管理單元150，電源管理為人機(jī)交互裝置100供電。功能鍵140選擇為按鍵1、按鍵2 和按鍵3。根據(jù)傳感器產(chǎn)品型號(hào)和生產(chǎn)廠家的不同，有的輸出模擬信號(hào)，有的直接輸出數(shù)字 信號(hào)。但輸出模擬信號(hào)的，通常都已經(jīng)放大到與模數(shù)轉(zhuǎn)換相匹配的信號(hào)水平。因此，圖3中 微型傳感器110的三軸加速度計(jì)111、三軸陀螺儀112和三軸磁力計(jì)113中的任何一種傳感 器，其信號(hào)為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)則接到微型控制器120的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口 121和12C數(shù)字 接口 122連接。微型控制器120按照從應(yīng)用(圖4中應(yīng)用和控制對(duì)象300，如上例中三維醫(yī) 學(xué)圖像系統(tǒng)應(yīng)用)來的命令，設(shè)定各微型傳感器110的采樣率，存放在寄存器125中。微型 控制器120并按照即定采樣率從模數(shù)轉(zhuǎn)換器121或I2C接口 122分別讀取微型傳感器110 的三軸加速度計(jì)111、三軸陀螺儀112和三軸磁力計(jì)113的傳感數(shù)據(jù)，并將傳感數(shù)據(jù)加上時(shí) 間標(biāo)簽，按照人機(jī)交互系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式，將加上時(shí)間標(biāo)簽的傳感數(shù)據(jù)放入寄存器125 中的專用緩存中。 功能鍵140以中斷管理器126的方式進(jìn)入人機(jī)交互裝置100，因?yàn)樗鼈兣c數(shù)據(jù)相比 具有高優(yōu)先級(jí)。因此，按下一個(gè)功能鍵140，人機(jī)交互裝置100就會(huì)馬上響應(yīng)，把功能鍵140 以人機(jī)交互系統(tǒng)指令通信協(xié)議格式，通過控制芯片124放入寄存器124中專用緩存中。 微型控制器120中的寄存器125中的專用緩存用來存儲(chǔ)按照通信協(xié)議包裝好的數(shù) 據(jù)和指令，等待被送往三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200。 這里，通過串口模塊127將寄存器125中的傳感數(shù)據(jù)送入無線通信芯片130，無線 通信芯片130由藍(lán)牙模塊來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互裝置100與三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置 200所在的主計(jì)算機(jī)的無線通信。這是因?yàn)閹缀跛糜?jì)算機(jī)都有藍(lán)牙模塊和相應(yīng)的接口支 持。 圖4是本實(shí)用新型一實(shí)施例的三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200的流程圖。 人機(jī)交互裝置100來的傳感器數(shù)據(jù)首先經(jīng)預(yù)處理模塊，分離出各微型傳感器110 的數(shù)據(jù)，形成各微型傳感器IIO(三維加速度計(jì)111、三維陀螺儀112和三維磁力計(jì)113)數(shù) 據(jù)流，并檢查這些數(shù)據(jù)的完整性。特別是發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失情況，找出丟失的準(zhǔn)確時(shí)間和位置， 并進(jìn)行插值處理。因?yàn)槲⑿蛡鞲衅?10的數(shù)據(jù)噪聲很大，還必須分別對(duì)各個(gè)微型傳感器110 的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲處理。 如圖4所示，三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200包括數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊210、方 位估計(jì)單元220、速度和位移估計(jì)模塊230、運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊240、交互參數(shù)產(chǎn)生和 功能鍵管理模塊250、以及應(yīng)用接口 260和應(yīng)用和控制對(duì)象300。 如圖4所示的方位估計(jì)單元220由方位估計(jì)模塊221、磁場(chǎng)估計(jì)模塊222、加速度 估計(jì)模塊223以及置初值模塊224組成；經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊210預(yù)處理后的三維陀螺儀112
15的數(shù)據(jù)流被送往方位估計(jì)模塊221，由積分運(yùn)算進(jìn)行方位估計(jì)；經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊210預(yù)處 理后的加速度傳感器111的數(shù)據(jù)流被送往加速度估計(jì)模塊223進(jìn)行加速度估計(jì)，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù) 處理模塊210預(yù)處理后的三維磁力計(jì)113的數(shù)據(jù)流被送往磁場(chǎng)估計(jì)模塊222進(jìn)行磁場(chǎng)估 計(jì)。 方位估計(jì)模塊221以三維陀螺儀112的角速度數(shù)據(jù)為主，同時(shí)融合重力加速度和 磁場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)和它們?cè)谟脩糇鴺?biāo)系中的參考值，估計(jì)方位角。為了提高估值精度，使用貝 葉斯估值方法。這時(shí)，以方位角q作為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)矢量，方位角的狀態(tài)方程為 qt = qt—工 ( A t)+Vq (1) 其中A是t時(shí)刻的方位角矢量，At是取樣時(shí)間間隔， (At)是以四元數(shù)表示的 乘法矩陣，V,是系統(tǒng)噪聲。根據(jù)三個(gè)傳感器的工作原理，因?yàn)閝用圖2中所示傳感器坐標(biāo)系 在用戶坐標(biāo)系中的方位角的四元數(shù)表示，有如下測(cè)量方程 Zf=/f(《)+ Kg (2) Z,。=—(《，g) + ff (3)Z「=，m) + C ( 4 ) 這里，Ztg， Zta， Ztm分別是陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)于t時(shí)刻在傳感器坐標(biāo)系中的 測(cè)量值。V/，Vta，Vtm分別是陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)于t時(shí)刻的測(cè)量噪聲。方程(2)表示陀 螺儀的測(cè)量值是同一時(shí)刻方位角的函數(shù)H(qt)和測(cè)量噪聲的和；方程(3)在人機(jī)交互設(shè)備 本身的加速度很小，與重力加速度相比可以忽略不計(jì)的假設(shè)前提下，認(rèn)為加速度計(jì)的測(cè)量 值是用戶坐標(biāo)系中的重力加速度g經(jīng)變換到傳感器坐標(biāo)系的值和噪聲之和。這里qrot(q， g)和qrot(q， m)分別表示在用戶坐標(biāo)系中的重力加速度g和磁場(chǎng)m經(jīng)變換到傳感器坐標(biāo) 系，而此變換由當(dāng)前方位q所定義。這里，我們假設(shè)磁場(chǎng)是不變的。 若將三個(gè)傳感器的測(cè)量值以矢量Zt表示，則有 z, =(",z,a,z;")7 (5) 如常規(guī)，T表示轉(zhuǎn)置，Zt是列矢量。有了狀態(tài)方程和測(cè)量方程，就可以使用貝葉斯 估值方法了。貝葉斯估值以疊代求最大后驗(yàn)概率P(qtlZ^—》的方法來估值。P(qt|Z1:t—》 即為已知傳感器數(shù)據(jù)流Z^—工的條件下方位角的后驗(yàn)概率。貝葉斯估值方法包括兩步疊代， 取得狀態(tài)初始值q。后，在上一時(shí)刻后驗(yàn)概率P (q^ I Z工:t—》的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)和計(jì)算后驗(yàn)概率
p(qt|zt—》 p (qt I Z丄t—》=/ p (qt | qt—卩p (qt—丄| Z丄t—》dqt—丄 (6) 方程(6)中，條件概率p(qtk-》表示了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間相關(guān)性(也稱馬爾可夫特 性)，它由方程(1)獲得。 貝葉斯估計(jì)的更新方程使用測(cè)量方程求得的似然率來更新(6)式求得的后驗(yàn)概 率，從而獲得t時(shí)刻的方位角的后驗(yàn)概率，由此完成方位角的估值 p (qt I:t) = p (Zt I qt) p (qt | Z丄:t—》/p (Zt | Z丄:t—》 (7) 這里，p(ZtlZh》可視為歸一化因子。若各傳感器相互獨(dú)立，方程(7)可寫為 水i ) = i《,)P(z; i & ) i《i z1:M) / P(z, i zl:,_,)(8) 這里，p (Ztg I qt) ， p (Zta I qt) ， p (Z; | qt)分別為t時(shí)刻陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)測(cè)量 值在方位qt的似然率。它們由方程(2)、 (3)和(4)求得。方程(8)中實(shí)現(xiàn)了三種傳感器數(shù)據(jù)的融合，融合的方式是三個(gè)似然率的相乘，它們的貢獻(xiàn)由似然率的方差調(diào)節(jié)。 在求解方程(6)和(7)時(shí)，我們往往對(duì)分布函數(shù)作一些假設(shè)。最簡(jiǎn)單的是作線性 方程和高斯分布的假設(shè)，它可以使用簡(jiǎn)單的卡爾曼濾波方法。這里，因?yàn)闇y(cè)量方程和狀態(tài) 方程都不是線性的，為了提高估值精度，在本實(shí)用新型的大多數(shù)估值中，都使用能近似非線 性函數(shù)的區(qū)F(Unscented Kalman Filter)。下面的參考文獻(xiàn)給出了詳細(xì)的敘述Zhiqiang Zhang，Zheng Wu，Jiang Chen，and Jiankang Wu，UbiquitousHuman Body Motion Capture using Micro_sensors， Seventh A皿imlIEEE International Conference on Pervasive Computing andCommunications， PerCom 2009， March 9-13， 2009。在獲得狀態(tài)變量的初值 q。(由置初值模塊224處獲得)之后，就可以使用估值方法求解。 上面中敘述了方位估計(jì)模塊221中實(shí)現(xiàn)的融合三個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的整個(gè)方位估值 方法和公式。但是，這種方法的假設(shè)是，磁場(chǎng)不變，三維人機(jī)交互裝置ioo本身的加速度相 比重力加速度很小，可以忽略不計(jì)。這個(gè)假設(shè)在很多情況下不適用例如，由于各種電器的 存在，磁場(chǎng)總是隨時(shí)間和地點(diǎn)變化。在很多應(yīng)用(如運(yùn)動(dòng)模擬)中，三維人機(jī)交互裝置100 的加速度有比較大的幅度，與重力加速度相比不可以忽略不計(jì)。因此，本實(shí)用新型增加了磁 場(chǎng)估計(jì)模塊222和加速度估計(jì)模塊223，以實(shí)時(shí)估計(jì)變化的磁場(chǎng)和三維人機(jī)交互裝置100本 身的加速度。 為了反映真實(shí)情況，在磁場(chǎng)估計(jì)模塊222中，我們認(rèn)為磁場(chǎng)是變化的，但此變化相 對(duì)于方位的變化是緩慢的。在時(shí)刻t，我們先用前面的公式估計(jì)方位，再估計(jì)磁場(chǎng)和加速度。 在估計(jì)方位時(shí)，使用上一時(shí)刻磁場(chǎng)估計(jì)結(jié)果。為此，改方程(4)為Z「=—《,m,—,)+^7" (4-1) 為了估計(jì)磁場(chǎng)，把磁場(chǎng)的狀態(tài)方程寫為 mt = mt—i+Vm (10) 這里，m為磁場(chǎng)的三維狀態(tài)矢量，Vm為噪聲。測(cè)量方程則為 Z,=—(《,W,) + ff (11) 方程(4-1)和(11)雖然形式類似，但意義不同，(4-1)以磁場(chǎng)為常參數(shù)，方位為狀 態(tài)變量，產(chǎn)生似然函數(shù)P(Ztlqt)，加入方位估計(jì)方程組中。而方程(ll)以已估計(jì)出的方位 為常參數(shù)，磁場(chǎng)為狀態(tài)變量，產(chǎn)生似然函數(shù)P(Ztlmt)。有了一對(duì)狀態(tài)方程(10)和測(cè)量方程 (ll)，形成了貝葉斯估值的基礎(chǔ)，與方位估計(jì)類似，我們可以求解磁場(chǎng)的估值問題。估值的 結(jié)果是用戶坐標(biāo)系中的磁場(chǎng)值mt，送往方位估計(jì)模塊221做下一時(shí)刻的方位估值。 同樣，在加速度估計(jì)模塊223中我們將估計(jì)出三維人機(jī)交互裝置本身在傳感器坐 標(biāo)系中的加速度atS，送往方位估計(jì)模塊221，由此產(chǎn)生重力加速度在傳感器坐標(biāo)系下的測(cè) 量值Zta-a/。由于人機(jī)交互裝置本身加速度遠(yuǎn)小于重力加速度的假設(shè)不成立，因此，測(cè)量方 程(3)改寫為: Z,?！?=f0"《,g) + ^ ( 3-1 ) 為了估計(jì)人機(jī)交互裝置本身在傳感器坐標(biāo)系中的加速度，加速度估計(jì)模塊223中 估值公式的狀態(tài)方程為 《=《、—,+「。 (13) 這里，as為加速度在傳感器坐標(biāo)系中的三維狀態(tài)矢量(必須提醒的是，三個(gè)狀態(tài)矢量，即方位q、磁場(chǎng)m和加速度a，加上標(biāo)s時(shí)，表示在傳感器坐標(biāo)系中，不加上標(biāo)時(shí)，表示在 用戶坐標(biāo)系中)，Va為噪聲。測(cè)量方程為 Z;= 一(《，g) +《+ ^ (14) 狀態(tài)方程(13)和測(cè)量方程(14)組成貝葉斯估值方程組。采用同樣的求解方法， 我們可以從加速度計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)和從方位估計(jì)模塊221來的方位，估計(jì)出三維人機(jī)交互裝 置本身在傳感器坐標(biāo)系中的加速度，送往方位估計(jì)模塊221。同時(shí)，將它轉(zhuǎn)換成用戶坐標(biāo)系 下三維人機(jī)交互裝置本身的加速度qrot—1 (qt， ats)，送往速度和位移估計(jì)模塊230。 速度和位移估計(jì)模塊230，對(duì)用戶坐標(biāo)系下三維人機(jī)交互裝置本身的加速度進(jìn)行 積分(在離散情況下是求和)來估計(jì)速度和位移。并使用置初值模塊224所置初值，獲得 位置。方位估計(jì)模塊221將估計(jì)的方位及速度和位移估計(jì)模塊230將估計(jì)的速度、位移和 位置，都送往運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊240。 運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊240與方位估計(jì)模塊221和速度和位移估計(jì)模塊230連 接。運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊240接受方位估計(jì)模塊221和速度和位移估計(jì)模塊230來的 方位、速度和位置等數(shù)據(jù)，形成一個(gè)人機(jī)交互裝置100在用戶坐標(biāo)系中t時(shí)刻的完全的狀態(tài) 矢量(xt， vt， at， qt， "t)。將人機(jī)交互裝置100在當(dāng)前時(shí)刻t和以前各時(shí)刻的位置、速度、 加速度、方位角和角速度狀態(tài)矢量序列[(xt，vt，at， qt， "t)， t = 0，1，2，...]，也即運(yùn)動(dòng)軌 跡，作進(jìn)一步的分析，就可以得到作用力方向和力度等具有直接應(yīng)用的參數(shù)，并送往交互參 數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊250。例如，設(shè)定質(zhì)量值，自加速度就可以推得作用力和方向。 交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊250把在用戶坐標(biāo)系下的位置、運(yùn)動(dòng)、軌跡及力 度參數(shù)，根據(jù)用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系的關(guān)系，在功能鍵的控制下，按要求對(duì)方位角、角速 度、加速度、速度、位移，運(yùn)動(dòng)軌跡、作力方向和力度進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算和加工，輸出應(yīng)用所需 參數(shù)，送往應(yīng)用接口 260。例如 在三維醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用例中，根據(jù)某一醫(yī)生用戶坐標(biāo)系與三維圖像應(yīng)用坐標(biāo)系的關(guān)
系，將來自上一"運(yùn)動(dòng)軌跡和力度模塊240"的在這一用戶坐標(biāo)系中的位置和方位參數(shù)轉(zhuǎn)換
為應(yīng)用坐標(biāo)系下的位置和方位，從而可以在三維圖像中選定感興趣的點(diǎn)或區(qū)域。 在虛擬球場(chǎng)例中，根據(jù)一個(gè)玩者用戶坐標(biāo)系與虛擬球場(chǎng)應(yīng)用坐標(biāo)系的關(guān)系(由于
玩者可能在跑動(dòng)，這個(gè)關(guān)系也是動(dòng)態(tài)的)，將來自上一"運(yùn)動(dòng)軌跡和力度模塊240"的在這一
用戶坐標(biāo)系中的位置、方位、軌跡和力度參數(shù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)用坐標(biāo)系下的相應(yīng)參數(shù)，送往應(yīng)用接
口 。在應(yīng)用中，與球的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)接，從而得出擊球點(diǎn)，擊球后球的運(yùn)動(dòng)。 圖4還示出了三維人機(jī)交互裝置100通過三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200
與應(yīng)用接口 260，與應(yīng)用和控制對(duì)象300實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理。應(yīng)用和控制對(duì)象300通過應(yīng)用接
口 260發(fā)往三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置200的指令信息有應(yīng)用名稱、數(shù)據(jù)取樣率要
求、幫助信息、初始化值；向人機(jī)交互裝置IOO發(fā)出數(shù)據(jù)取樣率等控制命令，同時(shí)定期發(fā)出
讀取人機(jī)交互裝置100的狀態(tài)參數(shù)，如電源管理單元150的電源水平等，判定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 圖4所示的置初值模塊224分別為方位估計(jì)模塊221、速度和位移估計(jì)模塊230和 交互參數(shù)產(chǎn)生和功能管理鍵模塊250置初值，初始化或重置傳感器坐標(biāo)系與用戶坐標(biāo)系的 相互關(guān)系(存儲(chǔ)于方位估計(jì)模塊221、速度和位移估計(jì)模塊230之中)以及用戶坐標(biāo)系和應(yīng) 用坐標(biāo)系之間的關(guān)系(存儲(chǔ)于交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊250)。初始化或重置傳感器坐標(biāo)系與用戶坐標(biāo)系的相互關(guān)系，或曰對(duì)方位估計(jì)模塊221和速度和位移估計(jì)模塊230置 初值也由于下述原因方位估值主要由陀螺儀測(cè)得的角速度積分而得，速度和位移是由人 機(jī)交互裝置ioo本身的加速度的估值積分而得。由于積分常數(shù)的存在，方位角、速度和位移 的估值，都有置初值，或曰系統(tǒng)初始化的問題。有兩種置初值的方式 —種是初始化，由開機(jī)時(shí)整個(gè)系統(tǒng)初始化完成。這時(shí)，傳感器坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo) 系，以及用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系的關(guān)系都取默認(rèn)值。在置初值模塊224中，有一默認(rèn)的 初始化程序，在啟動(dòng)人機(jī)交互裝置時(shí)自動(dòng)執(zhí)行。這一初始化程序在初始化傳感器坐標(biāo)系和 用戶坐標(biāo)系關(guān)系時(shí)，以磁力計(jì)測(cè)得的地磁場(chǎng)為z軸，重力加速度方向?yàn)閥軸的副向，人機(jī)交 互裝置的起始位移、速度、加速度均為零，來初始化傳感器坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系；在初始化 用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系關(guān)系時(shí)，以用戶和應(yīng)用的常規(guī)位置來初始化。例如，在虛擬球網(wǎng)球 中，假定用戶處于一方的球場(chǎng)中央。 另一種是重置初值。這時(shí)，我們常選擇一個(gè)初始場(chǎng)景和位置。如在三維醫(yī)學(xué)圖像 應(yīng)用中重置醫(yī)生的用戶坐標(biāo)系與三維圖像坐標(biāo)系關(guān)系時(shí)，我們讓醫(yī)生用手中的三維人機(jī)交 互裝置指向三維醫(yī)學(xué)圖像所顯示的中心位置，按下重置鍵，置初值模塊224將按照應(yīng)用設(shè) 計(jì)調(diào)整該應(yīng)用的初始位置設(shè)置。 重置傳感器坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系關(guān)系初置時(shí)如重置傳感器坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系
關(guān)系初置時(shí)，根據(jù)初始場(chǎng)景的不同，系統(tǒng)初始化程序可以有不同的三維人機(jī)交互裝置100
初始位置，也可以有不同的方位、速度和位置初值。 一簡(jiǎn)單的系統(tǒng)初始化程序可為 將三維人機(jī)交互裝置100置于用戶坐標(biāo)系中的最原始的位置，如自原點(diǎn)沿x坐標(biāo)
軸方向，并取靜止?fàn)顟B(tài)； 按下"重置/置初值"鍵； 置初值模塊224向方位估計(jì)模塊送出方位強(qiáng)制性初值(0，90° ，90° );向速度和 位移估計(jì)模塊230送出速度和位置強(qiáng)制性初值0 ; 以上所述，僅為本實(shí)用新型中的具體實(shí)施方式
，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局 限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本實(shí)用新型所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替 換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的包含范圍之內(nèi)，因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求 書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求一種三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，其特征在于，包括三維人機(jī)交互裝置在自身的多個(gè)微型傳感器坐標(biāo)系中獲取并輸出三維人機(jī)交互裝置的三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的多種傳感數(shù)據(jù)；三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置與三維人機(jī)交互裝置連接，接收三維人機(jī)交互裝置所采集的多傳感數(shù)據(jù)，并對(duì)多個(gè)微型傳感器所測(cè)具有噪聲和動(dòng)態(tài)變化的多傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲得三維人機(jī)交互裝置在用戶坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置參數(shù)，即位置、速度、加速度、方位、角速度的精確估值，推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)軌跡、作用力和方向；并轉(zhuǎn)換成應(yīng)用坐標(biāo)系中的交互參數(shù)；應(yīng)用和控制對(duì)象通過應(yīng)用接口與三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置連接，接收運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置參數(shù)的精確估值以及由此推出的交互參數(shù)，用于控制應(yīng)用和控制對(duì)象，通過應(yīng)用接口向三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置發(fā)送指令信息。
2. 如權(quán)利要求1所述的三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，其特征在于，三維人機(jī)交互裝置，包括多 個(gè)微型傳感器、中央控制處理單元、無線通信芯片、以及一組功能鍵，其中多個(gè)微型傳感器提取三維人機(jī)交互裝置本身的三維位置和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過轉(zhuǎn)換放大 處理后輸出三維位置和運(yùn)動(dòng)模擬數(shù)據(jù)；中央控制處理單元的各路模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)字入口分別連接到多個(gè)微型傳感器中所有 傳感器數(shù)據(jù)端，中央控制處理單元按設(shè)定的采樣率接收并對(duì)多個(gè)微型傳感器輸出的三維位 置和運(yùn)動(dòng)的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行控制和處理，獲得多個(gè)微型傳感器的采樣數(shù)據(jù)存放于中央控制處 理單元的寄存器中，并將這些采樣數(shù)據(jù)貼上時(shí)序標(biāo)簽和功能鍵指令一起打包并輸出采樣數(shù) 據(jù)和功能鍵指令；中央控制處理單元接收、解釋和執(zhí)行來自三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合 裝置所在計(jì)算機(jī)的命令；無線通信芯片與中央控制處理單元連接，接收并輸出中央控制處理單元的功能鍵指令 和采樣數(shù)據(jù)；無線通信芯片建立三維人機(jī)交互裝置與三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置所 在計(jì)算機(jī)或計(jì)算設(shè)備的通信，完成計(jì)算機(jī)或計(jì)算設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和命令的傳送；功能鍵與中央控制處理單元連接，功能鍵的信息通過中斷，由中央控制處理單元將之 打包傳送到三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置。
3. 如權(quán)利要求1所述的三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，其特征在于，所述微型傳感器為多種微型 傳感器，多種微型傳感器為至少一個(gè)或一個(gè)以上的三維加速度傳感器、三維陀螺儀、三維磁 力計(jì)、超聲波測(cè)距儀、激光測(cè)距儀。
4. 如權(quán)利要求2所述的三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，其特征在于，所述功能鍵是初始化鍵或重 置鍵、選擇鍵和功能顯示鍵。
5. 如權(quán)利要求1所述的三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，其特征在于，三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融 合裝置包括數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、方位估計(jì)單元、速度和位移估計(jì)模塊、運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模 塊、交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊、以及應(yīng)用接口，其中數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊分別與三維人機(jī)交互裝置連接，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊分別接收三維人機(jī)交 互裝置的微型傳感器測(cè)量該微型傳感器坐標(biāo)系中的加速度、角速度和磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)去 噪聲和完整性檢測(cè)處理，生成并輸出傳感器坐標(biāo)系中的加速度、角速度和磁場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù) 流；方位估計(jì)單元與數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊連接，方位估計(jì)單元接收并對(duì)傳感器坐標(biāo)系中的加速度、角速度和磁場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，產(chǎn)生并輸出在磁場(chǎng)變化和人機(jī)交互裝置本身加 速度較大情況下的方位估值；速度和位移估計(jì)模塊與方位估計(jì)單元的加速度估計(jì)模塊連接，速度位移估計(jì)模塊使用 來自加速度估計(jì)模塊的人機(jī)交互裝置本身的加速度估值，通過積分得到速度和位移數(shù)據(jù)；運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊與方位估計(jì)模塊和速度和位移估計(jì)模塊連接，接受方位估計(jì) 模塊和速度和位移估計(jì)模塊來的方位估值、速度和位移數(shù)據(jù)，形成人機(jī)交互裝置在用戶坐 標(biāo)系中各時(shí)刻的狀態(tài)，包括方位、角速度、加速度、速度、位移和位置，并進(jìn)而推出運(yùn)動(dòng)軌跡、 作力方向和力度；交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊與運(yùn)動(dòng)軌跡和力度分析模塊連接，交互參數(shù)產(chǎn)生和功 能管理模塊根據(jù)用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系的關(guān)系，把在用戶坐標(biāo)系下的位置、運(yùn)動(dòng)軌跡、作 力方向和力度參數(shù)，在功能鍵的控制下，按要求對(duì)人機(jī)交互裝置的方位角、角速度、加速度、 速度、位移、運(yùn)動(dòng)軌跡、作力方向和力度進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算和加工，輸出應(yīng)用交互參數(shù)；應(yīng)用接口分別與交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊和應(yīng)用和控制對(duì)象連接，應(yīng)用接口接 收并轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用坐標(biāo)系中得出的應(yīng)用交互參數(shù)給應(yīng)用和控制對(duì)象。
6. 如權(quán)利要求5所述的三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，其特征在于，所述方位估計(jì)單元由方位估 計(jì)模塊、磁場(chǎng)估計(jì)模塊、加速度估計(jì)模塊和置初值模塊組成，用于降低偏移，提高估值精度， 其中方位估計(jì)模塊的輸入端分別與數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、磁場(chǎng)估計(jì)模塊、加速度估計(jì)模塊、置初 值模塊的輸出端連接，接收角速度數(shù)據(jù)流、接收磁場(chǎng)估計(jì)模塊的磁場(chǎng)信號(hào)、接收加速度估計(jì) 模塊重力加速度信號(hào)，接收置初值模塊的的初始方位信號(hào)；方位估計(jì)模塊使用貝葉斯估值 方法，以置初值模塊的初始方位值為起點(diǎn)，以陀螺儀的角速度測(cè)量數(shù)據(jù)為主，同時(shí)融合磁場(chǎng) 和重力加速度對(duì)方位角估值的制約，從而實(shí)現(xiàn)方位的低偏差估值；使用了非線性估值濾波 器來降低運(yùn)動(dòng)的非線性和傳感器測(cè)量的非線性可能產(chǎn)生的誤差；方位估計(jì)模塊分別向運(yùn)動(dòng) 軌跡和力度分析模塊、磁場(chǎng)估計(jì)模塊和加速度估計(jì)模塊輸出方位估值；磁場(chǎng)估計(jì)模塊分別與數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和方位估計(jì)模塊連接，接收數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊輸出 的磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)流、接收方位估計(jì)模塊的方位估值，使用非線性估值方法實(shí)現(xiàn)對(duì)隨位置和 時(shí)間變化的磁場(chǎng)進(jìn)行估值；磁場(chǎng)估值的結(jié)果送往方位估計(jì)模塊參與下一時(shí)刻的方位估值；加速度估計(jì)模塊分別與數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和方位估計(jì)模塊連接，接收加速度數(shù)據(jù)流和方 位估計(jì)模塊輸出的方位信號(hào)，加速度估計(jì)模塊使用非線性估值濾波器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互裝置本 身在傳感器坐標(biāo)系下的加速度的估值，用估值結(jié)果從加速度測(cè)量數(shù)據(jù)中分離出重力加速度 分量，送往方位估計(jì)模塊中，參與方位的下一時(shí)刻的估值融合；同時(shí)，使用方位估計(jì)模塊提 供的方位估值，將傳感器坐標(biāo)系中的加速度估值轉(zhuǎn)換到用戶坐標(biāo)系中，送往速度和位移估 計(jì)模塊；置初值模塊與方位估計(jì)模塊、速度和位移估計(jì)模塊和交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊 連接，置初值模塊中的系統(tǒng)初始化子模塊和坐標(biāo)系重置子模塊通過方位估計(jì)模塊、速度和 位移估計(jì)模塊和交互參數(shù)產(chǎn)生和功能鍵管理模塊對(duì)方位、速度、位置和用戶和應(yīng)用的坐標(biāo) 系關(guān)系置初值；在接收控制鍵入信號(hào)和指令解釋信號(hào)時(shí)在簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景下的重置初值。
7. 如權(quán)利要求1所述的三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，其特征在于，應(yīng)用和控制對(duì)象通過應(yīng)用接 口發(fā)往三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置的指令信息有應(yīng)用名稱、數(shù)據(jù)取樣率要求、幫助信息、初始化值；向人機(jī)交互裝置發(fā)出數(shù)據(jù)取樣率控制命令，同時(shí)定期發(fā)出讀取人機(jī)交互裝 置的電源管理單元的電源值，判定系統(tǒng)的工作狀態(tài)參數(shù)。
8. 如權(quán)利要求6所述的三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，其特征在于，系統(tǒng)初始化子模塊使用磁力計(jì)所測(cè)得的磁場(chǎng)的主方向和加速度傳感器中測(cè)得的重力加速度方向，為傳感器坐標(biāo)系和用 戶坐標(biāo)系關(guān)系置默認(rèn)初置；使用初始場(chǎng)景為用戶坐標(biāo)系和應(yīng)用坐標(biāo)系關(guān)系置默認(rèn)初值；根 據(jù)初始場(chǎng)景的不同，系統(tǒng)初始化子模塊具有不同的三維人機(jī)交互裝置初始位置和不同的方 位、速度和位置初值。
9. 如權(quán)利要求1所述的三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，其特征在于，所述三維人機(jī)交互裝置是方 便手握、頭戴、腳捆或身穿方式附著在人的身體的某部分的形狀，該形狀可以是手持的矩形 狀、筆狀、指揮棒狀、握于手中的球狀、植入帽中的薄片、緊固于腳、小腿或臂上的薄片。
10. —種如權(quán)利要求1所述的三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，用于訓(xùn)練、游戲、制造、醫(yī)療、虛擬現(xiàn) 實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)的各種三維應(yīng)用外，也可以應(yīng)用于機(jī)器的定位、導(dǎo)航和控制中。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種三維動(dòng)態(tài)定位設(shè)備，具有三維人機(jī)交互裝置在在自身的傳感器坐標(biāo)系中獲取并輸出三維人機(jī)交互裝置的三維位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傳感數(shù)據(jù)，三維人機(jī)交互裝置與三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置連接，接收傳感數(shù)據(jù)，在用戶坐標(biāo)系中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)估計(jì)，將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成應(yīng)用坐標(biāo)系中的交互參數(shù)，并進(jìn)一步通過應(yīng)用接口實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用和控制對(duì)象的實(shí)時(shí)三維交互。三維人機(jī)交互裝置也通過三維人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理和融合裝置與應(yīng)用和控制對(duì)象交換數(shù)據(jù)和控制指令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、系統(tǒng)初始化和對(duì)方位、速度、位置和用戶和應(yīng)用坐標(biāo)系關(guān)系重新置初值。
文檔編號(hào)G01C21/16GK201514612SQ20092022289
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者吳健康 申請(qǐng)人:吳健康