[发明专利]一种三维人机交互系统

说明书

技术领域

本发明属于运动感知获取技术领域以及人机交互技术领域，涉及运动信息获取、处理、分析和人机交互应用的设备、系统和方法。

背景技术

目前人机交互有两大类，一类是鼠标，它广泛应用于计算机系统，与键盘一起，实现人和计算机的交互。另一类以电视机遥控器为代表，它不具备鼠标的功能。本发明一方面在三维空间中类似三维鼠标，可以帮助使用者方便地定位；另一方面，它可以感知和估计使用者移动交互装置的位移、速度、加速度、方向和力度，这在模拟训练、游戏等方面有重要应用。

三维交互装置和系统涉及两种技术。一是检测人机交互装置或持该器件的人体特定部位的运动，二是将检测到的运动信息经过处理、分析和转换，达到交互应用的需要。目前，这两个方面的技术可综述如下：

中国专利200710169770.9“智能型高尔夫推杆”，利用两组光电收发传感器分别接收从地面反射来的激光光束的时间差，计算得出击球时的平均速度，即可判断球能否进洞提供依据；还设有三维加速度传感器采集X、Y、Z三个方向上的加速度，以及从推杆击中球到离开球整个过程中加速度的变化情况，最后计算出X、Y、Z三个方向上的受力。美国专利7,234,351，“Electronic measurement of the motion of a moving bodyof sports equipment”也是将加速度传感器和陀螺仪嵌入高尔夫球杆、网球拍等运动器械，测量运动信息，用于训练。与此类似，美国专利用微型加速度传感器、陀螺仪和磁力计来测量运动物体的三维位置和方位信息。然而，以上专利虽然谈到了使用微型加速度传感器、陀螺仪和磁力计来测量运动物体在三维空间的运动信息。他们都没有提到，加速度传感器测出的加速度并非仅是运动物体的加速度，其中重力加速度分量很大，不能将重力加速度从所测加速度中分离出来，传感器坐标系的三个方向上的受力没有多大意义；而且从加速度到位置信息要经过两次积分，这两个积分常数成了未知数。同样，陀螺仪测量的是角速度，到角度也要经过一次积分。再者，微型传感器数据噪声极大，根本无法直接使用。也就是说，没有进一步的传感器数据的处理和分析方法，这些专利中的发明是无法实现的。

在交互应用方面，中国专利200610127869.8，“基于运动体动作的智能交互装置及动作位置的检测方法”，运动检测方法基于运动体佩戴项圈，通过安装在项圈内的角度传感器产生的弯曲形变，判断运动体的运动位置；中国专利200610083199.4“基于立体视觉的游戏控制系统及方法”，使用标定的摄像机获得使用者相关部位的图像，用姿态特征时空信息及其相关性进行区域选择和特征提取，获得三维位置和姿态信息并映射为游戏控制命令，由系统和游戏控制接口，实现模拟游戏人物和场景漫游的实时控制功能。美国专利7,262,760，“3D pointing devices withorientation compensation and improved usability”，是一种方法，它将测得的交互装置的运动和位置数据，从交互装置的坐标转换到交互对象的坐标，从而为交互鼠标输入数据。实际上，从测量出运动数据到交互在很大程度上取决于应用。上述三个专利中的交互方法也各不相同。

随着各种三维技术的应用，特别是训练、游戏、制造、医疗、虚拟现实、混合现实等的发展，对三维交互提出了越来越高的要求。人们希望有一种三维的人机交互。其一，它应能准确地获取交互装置的三维方位和位置信息；其二，为了训练、游戏等的需要，我们要求的不仅是位置信息，还要求三维运动(速度、加速度、轨迹)以及力度信息。其三，这种人机交互装置应不受距离限制，它可以如通常的鼠标，与计算机近距离使用，也可以如电视机遥控器，甚至更远距离与所控制机器交互。其四，我们要求一种交互装置能够多用，满足训练、游戏、制造、医疗、虚拟现实、混合现实等的需要。这就是本发明的三维人机交互装置和系统的目的。

发明内容

为了解决现有技术存在的人机交互装置本身运动的非线性和微型传感器测量的非线性问题和磁场受周围环境影响问题，本发明的目的是提供一种三维人机交互系统。

为达成所述目的，本发明提供三维人机交互系统，包括：该系统把整个交互定义为在三种坐标系下的传感器数据获取、处理、融合和转换过程，其中：

三维人机交互装置在自身的多个微型传感器坐标系中获取并输出三维人机交互装置的三维运动状态的多种传感数据；