[发明专利]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

说明书

本发明公开了一种基于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。本发明的跟踪精度较高、性能较为稳定、实时性较高、成本低廉。

技术领域

本发明涉及头位跟踪领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

在本发明所述的基于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。

在本发明所述的基于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USB type-A转Micro USB-B接口，所述Micro USB-B接口与所述9自由度惯性陀螺仪连接，所述USB type-A与所述数据采集处理计算机连接。

本发明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：