一种具有惯性动作捕捉装置的虚拟现实综合系统制造方法及图纸

一种具有惯性动作捕捉装置的虚拟现实综合系统，包括惯性动作捕捉装置、室内定位装置、虚拟现实装置、数据手套装置、电子仿真枪装置和背负式计算机装置；背负式计算机装置中内置有卡尔曼滤波器一。惯性动作捕捉装置包括若干个动作捕捉传感器；室内定位装置为UWB室内定位系统；数据手套装置包括手套本体和若干个手关节姿态传感器；电子仿真枪装置包括电子仿真枪和电子仿真枪数据采集传感器；动作捕捉传感器、手关节姿态传感器和电子枪姿态传感器均包括三轴MEMS加速度传感器、三轴MEMS角速度传感器、三轴MEMS磁力计、数据滤波传感器和内置卡尔曼滤波器二的微处理器。本实用新型专利技术能使真实世界的人与虚拟环境进行全方位互动，提高虚拟现实系统的沉浸度和交互性。

A virtual reality integrated system with inertial motion capture device

A capture device with inertial action of virtual reality system, including inertial motion capture device, indoor positioning device, virtual reality device, data glove device, electronic device and computer simulation of gun knapsack device; built-in knapsack type computer device with a Calman filter. Inertial motion capture several motion capture sensors including device; indoor positioning device for UWB indoor positioning system; data glove device comprises a glove body and a plurality of joint of hand posture sensor; electronic gun simulation device includes an electron gun and electron gun simulation simulation data acquisition sensor; motion capture sensor, attitude sensor and hand joint electron gun attitude sensors including the three axis acceleration sensor MEMS, MEMS three axis angular velocity sensor, three axis magnetometer data filtering, MEMS sensor and built-in Calman filter two microprocessor. The utility model can make the real world people interact with the virtual environment in an all-round way so as to improve the immersion and interactivity of the virtual reality system.

【技术实现步骤摘要】
一种具有惯性动作捕捉装置的虚拟现实综合系统
本技术涉及微机械(MEMS)以及虚拟现实领域，特别是一种基于动作捕捉技术的虚拟现实综合系统。
技术介绍
运动物体的姿态追踪还原技术，已经广泛应用于各领域，尤其在航天航海、人体运动姿态建模等领域。当前常用的动作捕捉技术主要有光学动作捕捉技术和基于惯性传感器的动作捕捉，分别介绍如下：光学式动作捕捉技术：通常在运动目标体附着多个参考球/点，采多台高速相机，环绕待测物体排列，让待测物体的运动范围处于相机的重叠区域，通过视频识别技术获取目标体参考球/点的轨迹，通过3维模型计算恢复出目标的运动姿态和轨迹。光学动作捕捉技术的优点在于识别精度高、采样频率高。但也存在如下问题：整套系统复杂，需要多台高速摄像机以及运算平台，系统价格昂贵；系统锁定比较繁琐，只能捕捉摄像机重叠的物体运动，而且当运动比较复杂的时候，标识容易混淆和遮挡，从而产生错误结果；同时光学对环境要求比较高，光照强度对精度影响较大。惯性动作捕捉技术：随着MEMS传感器的高速发展，微型惯性传感器的技术越发成熟，已经开始有将微型惯性传感器用于动作捕捉技术中。具体方法是：把惯性测量单元(IMU)连接到待测物体上，让其随待测物体一起运动。对多个传感器节点数据进行采集并处理，通过无线通讯技术传输至上位机系统，经过上位机进行姿态还原。惯性动作捕捉技术的优点在于，系统相对简洁，不怕遮挡，对光、环境要求比光学式动作捕捉低，适用范围广，同时惯性动作捕捉系统成本相对于光学普遍低。惯性测量单元包括加速度计、陀螺仪、地磁传感器，通过对加速度信号进行二重积分以及陀螺仪信号的积分，可以测得待测物体的信息以及方位信息。但是，上述陀螺仪测量运动物体的姿态数据有误差，必须修正后才能真实反映出运动物体的姿态。陀螺仪测量姿态数据时，误差产生的过程如下：首先，陀螺仪测量的数据为角速度，该角速度为瞬间值，大多数情况下不能直接适用，需要对该角速度进行时间积分，得到角度变化量。然后，将得到的角度变化量加上初始角度后，计算得到的角度值才是物体运动的姿态数据。在对上述角速度进行时间积分时，积分过程时间(dt)越小，得到的角度值也越准确。然而，由于陀螺仪的测量基准是自身而非外在的绝对参照物；加之，积分过程时间(dt)不可能无限小，因而，积分的累积误差会随时间推移而逐渐增加，进而导致测量的运动姿态数据与实际的数据发生偏差。下面再对虚拟现实技术做一下简单的介绍。虚拟现实技术：设计计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人工智能技术等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、触觉、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当的装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D时间影像回传产生临场感。该技术继承了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感器技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新成果，是一种由计算机技术辅助生成的高新技术模拟系统。沉浸度和交互性是对上述虚拟现实技术进行评价的两个重要特征。其中，沉浸度是指用户感到作为主角儿存在于模拟环境中的真实度。理想的模拟环境能使用户全身心的投入到计算机创建的三维虚拟环境中，使用户难以分辨真假。交互性是虚拟现实则是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从模拟环境中得到反馈的自然程度。然而，现有的虚拟现实技术，大多数以虚拟现实眼镜或视镜形式进出体验，因而虚拟现实技术的沉浸度以及交互性都不高。本技术的虚拟现实综合系统，采用惯性动作捕捉技术、室内定位技术、虚拟现实眼镜技术、数据手套技术、电子仿真枪技术等，应用于游戏体验、模拟训练、室内户外演戏、医疗恢复等场景。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种具有惯性动作捕捉装置的虚拟现实综合系统，该具有惯性动作捕捉装置的虚拟现实综合系统能使真实世界的人与虚拟环境进行全方位互动，提高虚拟现实系统的沉浸度和交互性。为解决上述技术问题，本技术采用的技术方案是：一种具有惯性动作捕捉装置的虚拟现实综合系统，包括惯性动作捕捉装置、室内定位装置、虚拟现实装置、数据手套装置、电子仿真枪装置和背负式计算机装置；惯性动作捕捉装置、室内定位装置、虚拟现实装置、数据手套装置和电子仿真枪装置均与背负式计算机装置无线连接；背负式计算机装置中内置有卡尔曼滤波器一和仿真软件系统。惯性动作捕捉装置包括若干个均能固定在人体上的动作捕捉模块，每个动作捕捉模块均包括动作捕捉传感器。室内定位装置为UWB室内定位系统。数据手套装置包括手套本体和设置在手套本体中的若干个手关节姿态传感器。电子仿真枪装置包括电子仿真枪和内置在电子仿真枪中的电子仿真枪数据采集传感器，电子仿真枪数据采集传感器包括电子枪姿态传感器和电子枪操作传感器。动作捕捉传感器、手关节姿态传感器和电子枪姿态传感器均包括三轴MEMS加速度传感器、三轴MEMS角速度传感器、三轴MEMS磁力计、数据滤波传感器和微处理器；三轴MEMS加速度传感器、三轴MEMS角速度传感器和三轴MEMS磁力计均与数据滤波传感器相连接，数据滤波传感器还与微处理器相连接；数据滤波传感器能将三轴MEMS加速度传感器、三轴MEMS角速度传感器和三轴MEMS磁力计所检测的数据进行初级滤波后传送给微处理器，每个微处理器中均内置有卡尔曼滤波器二。电子枪操作传感器与电子枪姿态传感器中的微处理器相连接。所述电子枪操作传感器为射击传感器、弹夹传感器、上膛传感器和保险中的一种或多种的组合。所述虚拟现实装置包括VR佩戴装置和环境反馈器件，环境反馈器件为音效系统、可控跑步机、电极刺激贴片和力反馈上衣中的一种或多种的组合。所述VR佩戴装置为VR头盔或VR眼镜。所述动作捕捉传感器、手关节姿态传感器和电子枪姿态传感器中微处理器的型号均为NXP-LPC13xx。动作捕捉传感器能采集人体接触部位的骨骼姿态数据，并对采集的骨骼姿态数据进行位移纠偏；动作捕捉传感器的工作过程如下：动作捕捉传感器中的三轴MEMS加速度传感器、三轴MEMS角速度传感器和三轴MEMS磁力计分别对人体接触部位的加速度、角速度和地磁场强度进行采集，动作捕捉传感器中的数据滤波传感器将采集的加速度、角速度和地磁场强度数据进行初级滤波处理；微处理器中的卡尔曼滤波器采用卡尔曼滤波算法将初级滤波后处于正常范围值内的加速度、角速度和地磁场强度数据进行深层次滤波与融合，通过最小二乘估计法拟合得到椭球模型系数，利用椭球模型系数推导出地磁传感器误差矩阵和偏移矢量，最后对地磁环境下输出的骨骼姿态数据进行位移纠偏与校正。UWB室内定位系统包括若干个定位锚节点、若干个移动标签、同步器和服务器；定位锚节点布固定设置在室内，移动标签佩戴在每个目标用户上，移动标签与定位锚节点之间通过UWB进行数据传输；同步器与各定位锚点之间进行校时通信，实现各定位锚点之间的时间同步；服务器设置有无限访问节点，各定位锚节点通过无线访问节点与服务器间进行数据传输。本技术采用上述结构后，具有如下有益效果：1.动作捕捉模块体积小、重量轻、续航能力强，绑定在人身上的时候不影响人体运动，采样频率高，对复杂、高速运动的进行采集；动作捕捉模块配置灵活，可以对局部动作，全身的运动进行捕捉；动作捕捉不受场地限制，捕捉效果本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有惯性动作捕捉装置的虚拟现实综合系统，其特征在于：包括惯性动作捕捉装置、室内定位装置、虚拟现实装置、数据手套装置、电子仿真枪装置和背负式计算机装置；惯性动作捕捉装置、室内定位装置、虚拟现实装置、数据手套装置和电子仿真枪装置均与背负式计算机装置无线连接；背负式计算机装置中内置有卡尔曼滤波器一和仿真软件系统；惯性动作捕捉装置包括若干个均能固定在人体上的动作捕捉模块，每个动作捕捉模块均包括动作捕捉传感器；室内定位装置为UWB室内定位系统；数据手套装置包括手套本体和设置在手套本体中的若干个手关节姿态传感器；电子仿真枪装置包括电子仿真枪和内置在电子仿真枪中的电子仿真枪数据采集传感器，电子仿真枪数据采集传感器包括电子枪姿态传感器和电子枪操作传感器；动作捕捉传感器、手关节姿态传感器和电子枪姿态传感器均包括三轴MEMS加速度传感器、三轴MEMS角速度传感器、三轴MEMS磁力计、数据滤波传感器和微处理器；三轴MEMS加速度传感器、三轴MEMS角速度传感器和三轴MEMS磁力计均与数据滤波传感器相连接，数据滤波传感器还与微处理器相连接；数据滤波传感器能将三轴MEMS加速度传感器、三轴MEMS角速度传感器和三轴MEMS磁力计所检测的数据进行初级滤波后传送给微处理器，每个微处理器中均内置有卡尔曼滤波器二；电子枪操作传感器与电子枪姿态传感器中的微处理器相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种具有惯性动作捕捉装置的虚拟现实综合系统，其特征在于：包括惯性动作捕捉装置、室内定位装置、虚拟现实装置、数据手套装置、电子仿真枪装置和背负式计算机装置；惯性动作捕捉装置、室内定位装置、虚拟现实装置、数据手套装置和电子仿真枪装置均与背负式计算机装置无线连接；背负式计算机装置中内置有卡尔曼滤波器一和仿真软件系统；惯性动作捕捉装置包括若干个均能固定在人体上的动作捕捉模块，每个动作捕捉模块均包括动作捕捉传感器；室内定位装置为UWB室内定位系统；数据手套装置包括手套本体和设置在手套本体中的若干个手关节姿态传感器；电子仿真枪装置包括电子仿真枪和内置在电子仿真枪中的电子仿真枪数据采集传感器，电子仿真枪数据采集传感器包括电子枪姿态传感器和电子枪操作传感器；动作捕捉传感器、手关节姿态传感器和电子枪姿态传感器均包括三轴MEMS加速度传感器、三轴MEMS角速度传感器、三轴MEMS磁力计、数据滤波传感器和微处理器；三轴MEMS加速度传感器、三轴MEMS角速度传感器和三轴MEMS磁力计均与数据滤波传感器相连接，数据滤波传感器还与微处理器相连接；数据滤波传感器能将三轴MEMS加速度传感器、三轴MEMS角速度传感器和三轴MEMS磁力计所检测的数据进行初级滤波后传送给微处理器，每个微处理器中均内置有卡尔曼滤波器二；...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋文涛，李秀丰，周清，孔令涛，
申请(专利权)人：隋文涛，南京睿辰欣创网络科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32