基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统及头位跟踪的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统及头位跟踪的方法，系统包括头位跟踪装置和数据采集处理计算机，头位跟踪装置和数据采集处理计算机之间通过信号连接线缆连接，数据采集处理计算机中安装有数据采集处理软件，头位跟踪装置包括飞行员头盔和9自由度惯性陀螺仪，9自由度惯性陀螺仪通过结构胶水平固定在飞行员头盔的上方，数据采集处理软件通过USB接口进行头位跟踪装置的数据的采集，计算出用户头部的三维空间位置数据，并与三维姿态信息构成三维运动状态数据，数据采集处理计算机根据用户头部的三维运动状态数据实时更新像仿真画面。本发明专利技术的跟踪精度较高、性能较为稳定、实时性较高、成本低廉。

Head Tracking System and Head Tracking Method Based on 9-DOF Inertial System

【技术实现步骤摘要】
基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统及头位跟踪的方法
本专利技术涉及头位跟踪领域，特别涉及一种基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统及头位跟踪的方法。
技术介绍
人机交互性是AR和VR的关键特征，是飞行仿真训练的重要组成部分。为了实现人与计算机之间的交互，需要使用专门设计的输入/输出设备把用户的命令输入给计算机，同时把模拟过程中的反馈信息提供给用户。这些设备包括大视角的立体显示器、头部跟踪系统、三维声音系统、触觉反馈系统和力反馈系统等。其中跟踪系统是AR和VR人机交互的关键设备。如果没有跟踪系统，计算机就不能改变空间视图，以配合用户头部的姿态和位置变化，沉浸感也就荡然无存。目前头位跟踪系统根据工作原理主要分为以下几种：(1)磁力追踪系统：磁力追踪通过衡量不同方向上磁场的强弱来实现。通常会用一个基站发出交流、直流或脉冲直流励磁。当检测点和基站间的距离增大时，磁场就会减弱。而当检测点发生转动时，磁场在不同方向上的分布会发生变化，因此也能检测方向。使用磁力追踪的产品代表为Razer雷蛇的PC体感控制器Hydra。磁力追踪在特定环境下可以达到不错的精度。但其受环境的影响较大，如果周围有导体、电子设备或磁性物体，就会受到干扰，导致跟踪数据失真。(2)光学追踪系统：被追踪物体上按某种规则布满标记点。一个或多个摄影镜头持续地捕捉标记点，并利用一些算法(如POSIT算法)得出物体的位置。算法会把镜头捕捉到的标记点位置和原先的规则作比较，从而得出物体的位置和朝向。标记点有主动和被动两种。主动型标记点通常会定期发射红外线。因为可以将红外线发射时间和镜头作同步，可以排除周围其他红外线的干扰。被动型标记点实际上是反射器，将红外线反射回光源。如果使用被动型标记点，通常镜头里会有红外线发射器。光学追踪系统同样存在自己的缺陷，包括跟踪物体不能被遮挡、摄像头的安装角度、位置和数量都有一定的要求，无法做到通用化。同时，产品的成本高昂。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种跟踪精度较高、性能较为稳定、实时性较高、成本低廉的基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统及头位跟踪的方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统，包括头位跟踪装置和数据采集处理计算机，所述头位跟踪装置和数据采集处理计算机之间通过信号连接线缆连接，所述数据采集处理计算机中安装有数据采集处理软件，所述头位跟踪装置包括飞行员头盔和9自由度惯性陀螺仪，所述9自由度惯性陀螺仪通过结构胶水平固定在所述飞行员头盔的上方，所述数据采集处理软件通过USB接口进行所述头位跟踪装置的数据的采集，计算出用户头部的三维空间位置数据，并与三维姿态信息构成三维运动状态数据，所述数据采集处理计算机根据用户头部的所述三维运动状态数据实时更新像仿真画面。在本专利技术所述的基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统中，所述9自由度惯性陀螺仪的型号为LPMS-CU2。在本专利技术所述的基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统中，所述信号连接线缆采用USBtype-A转MicroUSB-B接口，所述MicroUSB-B接口与所述9自由度惯性陀螺仪连接，所述USBtype-A与所述数据采集处理计算机连接。本专利技术还涉及一种利用上述基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统进行头位跟踪的方法，包括如下步骤：A)将9自由度惯性陀螺仪安装在飞行员头盔的上方，并使所述9自由度惯性陀螺仪的安装平面与所述飞行员头盔的平面保持水平；B)将信号连接线缆的MicroUSB-B接口的一端与所述9自由度惯性陀螺仪连接，将USBtype-A的一端与数据采集处理计算机连接；C)通过厂家自带的调试软件进行传输速率和输出数据类型的设置，去除无效的输出数据，保留初始三轴加速度数据和三轴欧拉角数据；D)在使用所述9自由度惯性陀螺仪对头位跟踪获取数据前，进行头位跟踪器校准，并以校准确认时的所述飞行员头盔的状态为零点；E)对使用数据采集处理软件获取的三轴欧拉角数据进行头位跟踪的角度追踪，对所述初始三轴加速度数据进行低通滤波，对采样信号进行低通过滤的方式是执行滚动平均值；F)对低通滤波后的三轴加速度数据进行机械滤波，将机械滤波后的三轴加速度数据与机械滤波阈值进行对比，当所述机械滤波后的三轴加速度数据在所述机械滤波阈值范围内时，即认为无效数据，将所述机械滤波后的三轴加速度数据强制赋值为0；G)对所述步骤F)中处理后的三轴加速度数据进行一次积分，分别获取三轴上的速度值；H)通过前后采样区域相减法消除误差，得到消除误差后的三轴上的速度值，计算公式如下：其中，Arean为当前采样时间区域的积分消除误差后的结果，Samplen为当前采样时间区域的积分值，Samplen-1为上一采样时间区域的积分值，T为采样时间；II)将所述消除误差后的三轴上的速度值再次进行积分，计算出位移值，计算公式如下：其中，Arean为当前采样时间区域的积分消除误差后的结果，Samplen为当前采样时间区域的积分值，Samplen-1为上一采样时间区域的积分值，T为采样时间；J)进行移动结束检查，按照物体停止→运动→停止的状态，加速度先增加后减少直到速度达到最大值，然后以相反的方式加速，直到所述速度再次到达0，在该点上达到一个稳定的位移和新的位置；K)将头位基于零点沿三轴方向移动的距离及飞行员转动的方位角传送给成像仿真计算机，完成成像画面基于头位的随动刷新显示。在本专利技术所述的方法中，所述步骤D)进一步包括：D1)运行所述数据采集处理软件，确认所述飞行员头盔上的9自由度惯性陀螺仪均为正常状态；D2)运行成像校准模块，确保看到十字光标线图像，转动所述飞行员头盔，使成像画面的十字光标线与飞机座舱对准器中心的十字光标线重合；D3)点击所述数据采集处理软件的界面上的左头位校准按钮，等待设定时间，即完成左头位校准；D4)点击所述数据采集处理软件的界面上的右头位校准按钮，等待所述设定时间，即完成右头位校准。在本专利技术所述的利用上述基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统进行头位跟踪的方法中，所述步骤D3)进一步包括：D31)重置所述9自由度惯性陀螺仪偏转，使所述9自由度惯性陀螺仪的三轴姿态信息和三轴加速度数据均回归出厂状态；D32)设置所述9自由度惯性陀螺仪的三轴偏转值为0；D33)更新所述9自由度惯性陀螺仪的参数；D34)将所述9自由度惯性陀螺仪的参数存入内部存储器内。在本专利技术所述的利用上述基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统进行头位跟踪的方法中，所述设定时间为3秒。实施本专利技术的基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统及头位跟踪的方法，具有以下有益效果：由于数据采集处理软件利用USB接口采集9自由度惯性陀螺仪的数据，计算出用户头部的三维空间位置数据，并与三维姿态信息一起，数据采集处理计算机根据用户头部的三维运动状态数据实时更新成像仿真画面，使用户所看到场景跟随头部的运动而变化，在飞行员头盔上只需要设置一个9自由度惯性陀螺仪，这样可以降低成本，因此专利技术的跟踪精度较高、性能较为稳定、实时性较高、成本低廉。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统，其特征在于，包括头位跟踪装置和数据采集处理计算机，所述头位跟踪装置和数据采集处理计算机之间通过信号连接线缆连接，所述数据采集处理计算机中安装有数据采集处理软件，所述头位跟踪装置包括飞行员头盔和9自由度惯性陀螺仪，所述9自由度惯性陀螺仪通过结构胶水平固定在所述飞行员头盔的上方，所述数据采集处理软件通过USB接口进行所述头位跟踪装置的数据的采集，计算出用户头部的三维空间位置数据，并与三维姿态信息构成三维运动状态数据，所述数据采集处理计算机根据用户头部的所述三维运动状态数据实时更新像仿真画面。

【技术特征摘要】
1.一种基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统，其特征在于，包括头位跟踪装置和数据采集处理计算机，所述头位跟踪装置和数据采集处理计算机之间通过信号连接线缆连接，所述数据采集处理计算机中安装有数据采集处理软件，所述头位跟踪装置包括飞行员头盔和9自由度惯性陀螺仪，所述9自由度惯性陀螺仪通过结构胶水平固定在所述飞行员头盔的上方，所述数据采集处理软件通过USB接口进行所述头位跟踪装置的数据的采集，计算出用户头部的三维空间位置数据，并与三维姿态信息构成三维运动状态数据，所述数据采集处理计算机根据用户头部的所述三维运动状态数据实时更新像仿真画面。2.根据权利要求1所述的基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统，其特征在于，所述9自由度惯性陀螺仪的型号为LPMS-CU2。3.根据权利要求2所述的基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统，其特征在于，所述信号连接线缆采用USBtype-A转MicroUSB-B接口，所述MicroUSB-B接口与所述9自由度惯性陀螺仪连接，所述USBtype-A与所述数据采集处理计算机连接。4.一种利用如权利要求3所述的基于9自由度惯性系统的头位跟踪系统进行头位跟踪的方法，其特征在于，包括如下步骤：A)将9自由度惯性陀螺仪安装在飞行员头盔的上方，并使所述9自由度惯性陀螺仪的安装平面与所述飞行员头盔的平面保持水平；B)将信号连接线缆的MicroUSB-B接口的一端与所述9自由度惯性陀螺仪连接，将USBtype-A的一端与数据采集处理计算机连接；C)通过厂家自带的调试软件进行传输速率和输出数据类型的设置，去除无效的输出数据，保留初始三轴加速度数据和三轴欧拉角数据；D)在使用所述9自由度惯性陀螺仪对头位跟踪获取数据前，进行头位跟踪器校准，并以校准确认时的所述飞行员头盔的状态为零点；E)对使用数据采集处理软件获取的三轴欧拉角数据进行头位跟踪的角度追踪，对所述初始三轴加速度数据进行低通滤波，对采样信号进行低通过滤的方式是执行滚动平均值；F)对低通滤波后的三轴加速度数据进行机械滤波，将机械滤波后的三轴加速度数据与机械滤波阈值进行对比，当所述机械滤波后的三轴加速度数据在所述机械滤波阈值范围内时，即认为无效数据，将所述机械滤波后的三轴加速度数据强制赋值为0；G)对所述步骤F)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙传伟，
申请(专利权)人：南京乐飞航空技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32