一种VR头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统及其测量方法

一种vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统及其测量方法
【技术领域】
1.本发明涉及虚拟现实技术，尤其涉及一种虚拟现实(vr:virtualreality)游戏娱乐设备中基于交变电磁技术对vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统及其测量方法。


背景技术：

2.目前，在虚拟现实技术中，通过计算机图像学、人机交互技术、传感技术和人工智能等技术的结合，用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、触觉等感觉，即通过计算机对复杂数据进行可视化操作和交互，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。其中，在人机交互技术中，系统需要知道头盔和手柄所在空间的位置与姿态的数据，并依据这些数据来做出相应的控制。而现有技术中，实现三维定位与三维定向的方法有很多种。
3.常见的第一种方法是基于光学的方法，即通过双个或单个摄像头获取三维定位与三维定向信息，这种方法的缺点是：速度慢、对光线和光路敏感、图像处理的算法不是很有效等。
4.第二种方法是基于声学的方法，即使用高频声音通过三角形法测量被测物的三维位置与姿态，这种方法的缺点是和光学方法一样依赖于直线的观察，周围物体的反射波可能对测量造成影响，并且在同一时刻，只能有一个声源，因而当有多个超声波发射源时，必须有一种控制策略，使它们依据某种规则轮流发射超声波，但这样系统的测量时间则要加长，其优点是成本低、抗电磁干扰能力强，对光线不敏感、无电磁辐射等。
5.第三种方法是基于磁性的方法，即被测物发出磁场，同时多个磁性传感器根据磁场的强度与磁场的偏角可以确定被测物的位置与姿态，这种方法的优点不像光学与声学方法一样，依赖于直线的观察(即被测物与传感器之间没有被任何物体遮挡)，其缺点是任何在检测区中的磁性物体都将干扰磁场的分布，造成不正确的测量。
6.而且，现有基于磁性的头盔及手柄测量方法就是不能主动受控，要实现这一主动受控功能并方便使用，手柄的三维位置和三维姿态信息要实时反馈给控制系统；同时，手柄在重建空间里的视觉导航也需要三维位置和三维姿态信息，使用者方能操控无线手柄；因此，迫切需要对现有虚拟现实中人机交互系统及控制方式进行改进。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术不足，本发明的目的在于提供一种集成方便，占用空间小，可实时连续对无线手柄定位，方便后续操作的vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统及其测量方法。
8.为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
9.该发明的第一发明目的提供一种vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量
系统，包括一个头盔、至少一个手柄、接收模块和位姿计算模块；
10.每个所述手柄内设有三轴正交主动发射交变信号的发射线圈，所述发射线圈由三轴正交的线圈fi、线圈fii和线圈fiii组成；
11.所述头盔内设有三轴正交被动感应信号的感应线圈，所述感应线圈由三轴正交的线圈gi、线圈gii和线圈giii组成；
12.所述发射线圈与所述感应线圈通过交变磁场形成磁路、且所述感应线圈被动感应发射线圈发射的信号，所述位姿计算模块与所述接收模块直接连接，所述接收模块与所述感应线圈直接连接。
13.优选地，所述头盔内还设有信号放大模块、ad模数采样模块、信号处理模块和计算模块，所述感应线圈与信号放大模块直接连接，ad模数采样模块与信号放大模块连接，信号处理模块与ad模数采样模块连接，计算模块与信号处理模块连接。
14.优选地，所述手柄内还设有信号产生模块和信号放大模块，所述信号产生模块经过所述信号放大模块放大后、并由所述发射线圈向外发射。
15.优选地，每个所述手柄中所述线圈fi、所述线圈fii和所述线圈fiii在每一个周期内分时依次发射交变信号或同时发射交变信号，信号的频率可在设定的频率集合内随机选择，所述线圈fi、所述线圈fii和所述线圈fiii发射完一次信号形成一个周期。
16.优选地，在一个周期内，对应所述线圈fi的信号，所述线圈gi、所述线圈gii和所述线圈giii分别感应1个电压信号；
17.对应所述线圈fii的信号，所述线圈gi、所述线圈gii和所述线圈giii分别感应1个电压信号；
18.对应所述线圈fiii的信号，所述线圈gi、所述线圈gii和所述线圈giii分别感应1个电压信号。
19.该发明第二发明目的，提供一种上述的vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统的测量方法，包括以下步骤：
20.步骤1、手柄内三轴正交的发射线圈中的线圈fi、线圈fii和线圈fiii，每个线圈在每一个周期内发射一定频率范围内的交变信号；
21.步骤2、头盔内的信号放大模块放大三轴正交感应线圈的输出电压；
22.步骤3、头盔内的ad模数采样模块对放大的输出电压进行采样；
23.步骤4、信号处理模块对采样信号进行加工，计算感应信号的幅值、相位；
24.步骤5、将手柄作为参考坐标系，计算头盔内感应线圈在手柄坐标系的位置和方向；
25.步骤1、手柄内三轴正交的发射线圈中的线圈fi、线圈fii和线圈fiii，每个线圈在每一个周期内发射一定频率范围内的交变信号；
26.步骤2、头盔内的信号放大模块放大三轴正交感应线圈的输出电压；
27.步骤3、头盔内的ad模数采样模块对放大的输出电压进行采样；
28.步骤4、信号处理模块对采样信号进行加工，计算感应信号的幅值、相位；
29.步骤5、将手柄作为参考坐标系，计算头盔内感应线圈在手柄坐标系的位置和方向；
30.步骤5.1、将手柄上线圈fi、线圈fii和线圈fiii分别对应的x’轴、y’轴和z’轴相交
的中心位置作为发射线圈的位置，作为坐标系的原点o(a，b，c)＝o(0，0，0)；将头盔内感应线圈中线圈gi、线圈gii和线圈giii的三轴相交的中心记为(x，y，z)，作为要求解的位置参数；手柄上线圈fi、线圈fii和线圈fiii分别等效为磁偶极子；其在空间点(x，y，z)产生的磁通量密度分别如公式(1)、公式(2)和公式(3)式所示：
[0031][0032][0033][0034]
其中，公式(1)表示x轴方向的磁通量密度，公式(2)表示y轴方向的磁通量密度，公式(3)表示z轴方向的磁通量密度；线圈fi、线圈fii和线圈fiii的方向分别为(m1,n1,p1)＝(1,0,0)、(m2,n2,p2)＝(0,1,0)和(m3,n3,p3)＝(0,1,0)，(a，b，c)是发射线圈的位置，(x，y，z)是感应线圈的位置，bt是与发射线圈有关的一个常量，l是感应线圈到发射线圈的距离，感应线圈到发射线圈的距离l如公式(4)所示：
[0035][0036]
步骤5.2、用四元数(q0,qx,qy,qz)代表头盔感应线圈在参考系的方向，四元数构成的矩阵r如(5)式所示：
[0037][0038]
步骤5.3、发射线圈中的线圈fi、线圈fii和线圈fiii同时发射三个不同频率的信号，头盔内感应线圈中线圈gi、线圈gii和线圈gii分别感应生成三个频率的信号，头盔中三轴的线圈gi、线圈gii和线圈gii共生成9个感应信号bx1、by1、bz1、bx2、by2、bz2、bx3、by3、bz3，而信号b’x1、b’y1、b’z1、b’x2、b’y2、b’z2、b’x3、b’y3、b’z3分别是9个感应信号的测量值，9个感应信号与9个感应信号的测量值满足的关系如公式(6)所示：
[0039][0040]
步骤5.4、根据最小二乘原理，定义误差如公式(7)所示：
[0041][0042]
其中bxi、byi和bzi是由公式(6)得到的关于位置(x，y，z)和四元数(q0,qx,qy,qz)的函数，利用优化算法使e最小，可以求解出位置和四元数参数；
[0043]
步骤6、将步骤5得到的参数进行逆变换，将手柄位置和方向转换为以头盔为参考坐标系；
[0044]
步骤7、位姿计算模块将手柄的位置和方向信息发送给显示终端或其他处理模块，实时反映手柄当前的位姿，便于操作者观察或进行游戏开发及其它设置。
[0045]
进一步地，还包括：在发射和接收无法同步导致信号相位缺失时，在发射信号中加载一个特征值，接收信号捕捉到特征值，从而求解得到相位。
[0046]
本发明的有益效果是：
[0047]
本发明不需要额外的imu传感器辅助计算位置和姿态、成本低廉，发射和接收模块体积小，结构简单，易于集成。能够实现360度无死角头盔跟踪手柄，不受天气、光照因素影响，可克服光学跟踪的光学摄像头受阻挡跟踪失效的问题，或者是手柄离开摄像头视角手柄位置和姿态突然丢失的问题，有效实现连续、可靠、无死角跟踪，带来更好的使用体验。
【附图说明】
[0048]
图1是本发明中手柄发射线圈和头盔感应线圈布局和坐标示意图；
[0049]
图2是本发明的跟踪流程图。
【具体实施方式】
[0050]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0051]
一种vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统，如图1所示，包括一个头盔1、两个手柄2、接收模块(图中未示)和位姿计算模块(图中未示)；每个手柄2内设有三轴正交主动发射交变信号的发射线圈，发射线圈由三轴正交的线圈fi、线圈fii和线圈fiii组成；头盔1内设有三轴正交被动感应信号的感应线圈，感应线圈由三轴正交的线圈gi、线圈gii和线圈giii组成；发射线圈与感应线圈通过交变磁场形成磁路、且感应线圈被动感应发射线圈发射的信号，位姿计算模块与接收模块直接连接，接收模块与感应线圈直接连接。
[0052]
其中，在头盔1内还设有信号放大模块、ad模数采样模块、信号处理模块和计算模块，感应线圈与信号放大模块直接连接，ad模数采样模块与信号放大模块连接，信号处理模块与ad模数采样模块连接，计算模块与信号处理模块连接。在每个手柄2内还设有信号产生模块和信号放大模块，信号产生模块经过信号放大模块放大后、并由发射线圈向外发射。
[0053]
而且，每个手柄中线圈fi、线圈fii和线圈fiii在每一个周期内分时依次发射交变信号或同时发射交变信号，信号的频率可在设定的频率集合内随机选择，线圈fi、线圈fii和线圈fiii发射完一次信号形成一个周期。且在一个周期内，对应线圈fi的信号，线圈gi、线圈gii和线圈giii分别感应1个电压信号；对应线圈fii的信号，线圈gi、线圈gii和线圈giii分别感应1个电压信号；对应线圈fiii的信号，线圈gi、线圈gii和线圈giii分别感应1
个电压信号。
[0054]
该vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统对应的的测量方法，包括以下步骤：
[0055]
步骤1、手柄内三轴正交的发射线圈中的线圈fi、线圈fii和线圈fiii，每个线圈在每一个周期内发射一定频率范围内的交变信号；
[0056]
步骤2、头盔内的信号放大模块放大三轴正交感应线圈的输出电压；
[0057]
步骤3、头盔内的ad模数采样模块对放大的输出电压进行采样；
[0058]
步骤4、信号处理模块对采样信号进行加工，计算感应信号的幅值、相位；
[0059]
步骤5、将手柄作为参考坐标系，计算头盔内感应线圈在手柄坐标系的位置和方向；
[0060]
步骤5.1、将手柄上线圈fi、线圈fii和线圈fiii分别对应的x’轴、y’轴和z’轴相交的中心位置作为发射线圈的位置，作为坐标系的原点o(a，b，c)＝o(0，0，0)；将头盔内感应线圈中线圈gi、线圈gii和线圈giii的三轴相交的中心记为(x，y，z)，作为要求解的位置参数；手柄上线圈fi、线圈fii和线圈fiii分别等效为磁偶极子；其在空间点(x，y，z)产生的磁通量密度分别如公式(1)、公式(2)和公式(3)式所示：
[0061][0062][0063][0064]
其中，公式(1)表示x轴方向的磁通量密度，公式(2)表示y轴方向的磁通量密度，公式(3)表示z轴方向的磁通量密度；线圈fi、线圈fii和线圈fiii的方向分别为(m1,n1,p1)＝(1,0,0)、(m2,n2,p2)＝(0,1,0)和(m3,n3,p3)＝(0,1,0)，(a，b，c)是发射线圈的位置，(x，y，z)是感应线圈的位置，bt是与发射线圈有关的一个常量，l是感应线圈到发射线圈的距离，感应线圈到发射线圈的距离l如公式(4)所示：
[0065][0066]
步骤5.2、用四元数(q0,qx,qy,qz)代表头盔感应线圈在参考系的方向，四元数构成的矩阵r如(5)式所示：
[0067][0068]
步骤5.3、发射线圈中的线圈fi、线圈fii和线圈fiii同时发射三个不同频率的信号，头盔内感应线圈中线圈gi、线圈gii和线圈gii分别感应生成三个频率的信号，头盔中三
轴的线圈gi、线圈gii和线圈gii共生成9个感应信号bx1、by1、bz1、bx2、by2、bz2、bx3、by3、bz3，而信号b’x1、b’y1、b’z1、b’x2、b’y2、b’z2、b’x3、b’y3、b’z3分别是9个感应信号的测量值，9个感应信号与9个感应信号的测量值满足的关系如公式(6)所示：
[0069][0070]
步骤5.4、根据最小二乘原理，定义误差如公式(7)所示：
[0071][0072]
其中bxi、byi和bzi是由公式(6)得到的关于位置(x，y，z)和四元数(q0,qx,qy,qz)的函数，利用优化算法使e最小，可以求解出位置和四元数参数；
[0073]
步骤6、将步骤5得到的参数进行逆变换，将手柄位置和方向转换为以头盔为参考坐标系；
[0074]
步骤7、位姿计算模块将手柄的位置和方向信息发送给显示终端或其他处理模块，实时反映手柄当前的位姿，便于操作者观察或进行游戏开发及其它设置。
[0075]
而且，在发射和接收无法同步导致信号相位缺失时，在发射信号中加载一个特征值，接收信号捕捉到特征值，从而求解得到相位。
[0076]
该实施例中，可以实现360度无死角头盔跟踪手柄，不受天气、光照因素影响，可克服光学跟踪的光学摄像头受阻挡跟踪失效的问题，或者是手柄离开摄像头视角手柄位置和姿态突然丢失的问题；实现连续、可靠、无死角跟踪，给使用者带来更好的体验。
[0077]
以上所述实施例只是为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，除了具体实施例中列举的情况外，凡依本发明原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统，其特征在于：包括一个头盔、至少一个手柄、接收模块和位姿计算模块；每个所述手柄内设有三轴正交主动发射交变信号的发射线圈，所述发射线圈由三轴正交的线圈fi、线圈fii和线圈fiii组成；所述头盔内设有三轴正交被动感应信号的感应线圈，所述感应线圈由三轴正交的线圈gi、线圈gii和线圈giii组成；所述发射线圈与所述感应线圈通过交变磁场形成磁路、且所述感应线圈被动感应发射线圈发射的信号，所述位姿计算模块与所述接收模块直接连接，所述接收模块与所述感应线圈直接连接。2.根据权利要求1所述的一种vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统，其特征在于，所述头盔内还设有信号放大模块、ad模数采样模块、信号处理模块和计算模块，所述感应线圈与信号放大模块直接连接，ad模数采样模块与信号放大模块连接，信号处理模块与ad模数采样模块连接，计算模块与信号处理模块连接。3.根据权利要求1所述的一种vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统，其特征在于，所述手柄内还设有信号产生模块和信号放大模块，所述信号产生模块经过所述信号放大模块放大后、并由所述发射线圈向外发射。4.根据权利要求1所述的一种vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统，其特征在于，每个所述手柄中所述线圈fi、所述线圈fii和所述线圈fiii在每一个周期内分时依次发射交变信号或同时发射交变信号，信号的频率可在设定的频率集合内随机选择，所述线圈fi、所述线圈fii和所述线圈fiii发射完一次信号形成一个周期。5.根据权利要求4所述的一种vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统，其特征在于，在一个周期内，对应所述线圈fi的信号，所述线圈gi、所述线圈gii和所述线圈giii分别感应1个电压信号；对应所述线圈fii的信号，所述线圈gi、所述线圈gii和所述线圈giii分别感应1个电压信号；对应所述线圈fiii的信号，所述线圈gi、所述线圈gii和所述线圈giii分别感应1个电压信号。6.一种根据权利要求1～5任意一项所述的vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、手柄内三轴正交的发射线圈中的线圈fi、线圈fii和线圈fiii，每个线圈在每一个周期内发射一定频率范围内的交变信号；步骤2、头盔内的信号放大模块放大三轴正交感应线圈的输出电压；步骤3、头盔内的ad模数采样模块对放大的输出电压进行采样；步骤4、信号处理模块对采样信号进行加工，计算感应信号的幅值、相位；步骤5、将手柄作为参考坐标系，计算头盔内感应线圈在手柄坐标系的位置和方向；步骤5.1、将手柄上线圈fi、线圈fii和线圈fiii分别对应的x’轴、y’轴和z’轴相交的中心位置作为发射线圈的位置，作为坐标系的原点o(a，b，c)＝o(0，0，0)；将头盔内感应线圈中线圈gi、线圈gii和线圈giii的三轴相交的中心记为(x，y，z)，作为要求解的位置参数；手
柄上线圈fi、线圈fii和线圈fiii分别等效为磁偶极子；其在空间点(x，y，z)产生的磁通量密度分别如公式(1)、公式(2)和公式(3)式所示：密度分别如公式(1)、公式(2)和公式(3)式所示：密度分别如公式(1)、公式(2)和公式(3)式所示：其中，公式(1)表示x轴方向的磁通量密度，公式(2)表示y轴方向的磁通量密度，公式(3)表示z轴方向的磁通量密度；线圈fi、线圈fii和线圈fiii的方向分别为(m1,n1,p1)＝(1,0,0)、(m2,n2,p2)＝(0,1,0)和(m3,n3,p3)＝(0,1,0)，(a，b，c)是发射线圈的位置，(x，y，z)是感应线圈的位置，bt是与发射线圈有关的一个常量，l是感应线圈到发射线圈的距离，感应线圈到发射线圈的距离l如公式(4)所示：步骤5.2、用四元数(q0,qx,qy,qz)代表头盔感应线圈在参考系的方向，四元数构成的矩阵r如(5)式所示：步骤5.3、发射线圈中的线圈fi、线圈fii和线圈fiii同时发射三个不同频率的信号，头盔内感应线圈中线圈gi、线圈gii和线圈gii分别感应生成三个频率的信号，头盔中三轴的线圈gi、线圈gii和线圈gii共生成9个感应信号bx1、by1、bz1、bx2、by2、bz2、bx3、by3、bz3，而信号b’x1、b’y1、b’z1、b’x2、b’y2、b’z2、b’x3、b’y3、b’z3分别是9个感应信号的测量值，9个感应信号与9个感应信号的测量值满足的关系如公式(6)所示：步骤5.4、根据最小二乘原理，定义误差如公式(7)所示：其中bxi、byi和bzi是由公式(6)得到的关于位置(x，y，z)和四元数(q0,qx,qy,qz)的函
数，利用优化算法使e最小，可以求解出位置和四元数参数；步骤6、将步骤5得到的参数进行逆变换，将手柄位置和方向转换为以头盔为参考坐标系；步骤7、位姿计算模块将手柄的位置和方向信息发送给显示终端或其他处理模块，实时反映手柄当前的位姿，便于操作者观察或进行游戏开发及其它设置。7.根据权利要求6所述的一种vr头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统的测量方法，其特征在于，还包括：在发射和接收无法同步导致信号相位缺失时，在发射信号中加载一个特征值，接收信号捕捉到特征值，从而求解得到相位。

技术总结
本发明提供的一种VR头盔跟踪手柄的三维位置及姿态的实时测量系统及其测量方法，包括一个头盔、至少一个手柄、接收模块和位姿计算模块；每个手柄内设有三轴正交主动发射交变信号的发射线圈，发射线圈由三轴正交的线圈FI、线圈FII和线圈FIII组成；头盔内设有三轴正交被动感应信号的感应线圈，感应线圈由三轴正交的线圈GI、线圈GII和线圈GIII组成；发射线圈与感应线圈通过交变磁场形成磁路、且感应线圈被动感应发射线圈发射的信号，位姿计算模块与接收模块直接连接，接收模块与感应线圈直接连接，不需要额外的IMU传感器辅助计算位置和姿态、成本低廉，发射和接收模块体积小，结构简单，易于集成。易于集成。易于集成。


技术研发人员：阳万安 张超洋 夏许可 戴厚德 林志榕 王常远 张毅
受保护的技术使用者：宜宾学院
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/24