[发明专利]一种基于惯性测量装置的力反馈设备手柄的姿态测量方法

摘要

本发明提供了一种基于惯性测量装置的力反馈设备手柄的姿态测量方法，首先由于惯性测量装置的惯性特质，使得仅通过单个测量装置就能获得手柄在空间中的任意姿态；其次通过使用姿态校准算法和姿态插值算法，使得测得的姿态能够满足力觉渲染对姿态信息高频率、高精度的需求；同时在带有力反馈的虚拟现实模拟环境下，验证了该方法能够满足力觉交互的需求。本发明使用惯性测量装置测量姿态，仅需要单个装置就能测得末端三自由度的姿态，能够满足力反馈设备手柄机构简化的需求；而且惯性测量装置直接和力反馈设备手柄相连，不需要通过机械结构和转动关节相连，测得的方位角仅与手柄的空间姿态有关，与力反馈设备移动平台的放置方式无关，测量更加精确。

主权项

1.一种基于惯性测量装置的力反馈设备手柄的姿态测量方法，其特征在于，包括以下六个步骤：步骤(1)、将惯性测量装置和力反馈设备手柄固连：首先将惯性测量装置和力反馈设备手柄固连，实现两者的同步运动；然后调整惯性测量装置的连接方式，使得惯性测量装置的坐标系的x/y/z轴与力反馈设备的坐标系的x/y/z轴朝向相同；惯性测量装置测量得到东北天坐标系下的欧拉角，用惯性测量装置测得的欧拉角表示力反馈设备手柄的姿态时的坐标系旋转顺序定义为ZYX，表示力反馈设备手柄先绕Z轴转，再绕Y轴转，再绕X轴转；步骤(2)、上位机获取姿态信息：惯性测量装置连接到上位机，通信方式采用串行通信；步骤(3)、基于多线程的姿态处理：力觉渲染操作启动后，上位机开启力觉渲染计算线程进行反馈力的计算；确定惯性测量装置连接正常后，上位机开启姿态信息处理线程，对惯性测量装置传输的欧拉角进行姿态处理，以满足力觉渲染计算的精度要求和频率要求；上位机建立不同线程间的通信，确保处理完成的姿态信息可以发送至力觉渲染计算线程，进行反馈力的计算；步骤(4)、基于姿态匹配的姿态校准：当获取惯性测量装置测得的欧拉角后，对姿态信息进行校准；设定力反馈设备手柄的初始校准状态，通过测量得到该状态下力反馈设备手柄的方位角，求出标准初始姿态矩阵；同时测得该状态下惯性测量装置传入的欧拉角，求出实际初始姿态矩阵；通过两个矩阵间的矩阵运算，求得姿态校准矩阵，对后续传入的欧拉角进行左乘处理，将惯性测量装置的欧拉角变换到力反馈设备的坐标系；步骤(5)、基于姿态信息插值的姿态频率校准：针对校准后的姿态信息，在下次姿态更新前，根据欧拉角姿态插值的原理，通过前两次的姿态信息预测下次循环的姿态信息，提高姿态测量的频率，满足力觉渲染姿态信息预设的刷新频率的要求；步骤(6)、构建虚拟力觉交互场景，屏蔽掉力反馈设备自身的姿态信息；通过步骤(1)-(5)对惯性测量装置测得的姿态信息进行优化，得到力反馈设备手柄的姿态角；将姿态角发送到力觉渲染计算线程，配合力反馈设备测得的力反馈设备手柄的位置信息进行力觉计算，最后通过力反馈设备向用户输出反馈力。