基于慣性傳感器的手姿態(tài)捕捉系統(tǒng)研究.pdf

1、手勢作為日常生活中人們廣泛使用的一種自然而直觀、易于學(xué)習(xí)和高效的交流方式，有很強的表意能力，伴隨虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，虛擬手成為了一種新的人機接口應(yīng)用，可實時獲取手部動作的信息，在人機交互過程中完成操作和感知交流等功能，有效地拓寬了人機交互通道，在體育，醫(yī)學(xué)，軍事等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。近年來隨著微電子技術(shù)和慣性導(dǎo)航計算技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器可實現(xiàn)對運動信息的檢測，為手勢動作信息的捕獲帶來了新的基礎(chǔ)工具和應(yīng)用環(huán)境，其可以對手部姿態(tài)信息進

2、行精確的測量與跟蹤，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，價格低廉，安裝和使用便捷等優(yōu)點。本文在基于微型慣性傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航和數(shù)據(jù)融合原理，設(shè)計了一種不受光照約束，抗干擾能力強的全姿態(tài)手姿態(tài)捕捉系統(tǒng)。該手勢捕捉系統(tǒng)由多個傳感節(jié)點和一個匯聚控制節(jié)點構(gòu)成，傳感器節(jié)點主要包含三軸加速度計，三軸陀螺儀，三軸地磁儀，負責(zé)采集各手指部位運動過程中的原始數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。控制節(jié)點匯聚各個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，最后通過無線傳輸方式把解算的姿態(tài)數(shù)據(jù)

3、進行打包發(fā)送給上位機，在上位機中通過對手勢姿態(tài)數(shù)據(jù)進行進一步解析，以實現(xiàn)對虛擬手部模型關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)驅(qū)動，從而實現(xiàn)對真實手勢姿態(tài)的捕捉和顯示。
　　本文針對手指在空間三維中的運動情況進行了相關(guān)研究，從而選擇合適的傳感器，并對傳感器的工作原理和性能參數(shù)進行了對比研究，且對各個傳感器可能存在的誤差進行了分析，例如加速度傳感器的數(shù)據(jù)抖動和偏移，陀螺儀的累積誤差，地磁儀易受磁場干擾的因素進行了詳細分析，提出了有效的解決方案。在基于手部傳感網(wǎng)絡(luò)

4、的總體設(shè)計思路和框架下，對部署在手部的傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點進行了詳細的原理圖設(shè)計，并對系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議進行了定制。同時對傳感節(jié)點在手指上的部署位置要求進行了分析，并在慣性導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成了多傳感器的數(shù)據(jù)融合處理，輸出了以四元數(shù)表示的姿態(tài)信息。另外通過分析手部生物學(xué)結(jié)構(gòu)，在VS2012開發(fā)環(huán)境下結(jié)合OpenGL圖形庫和3DS MAX軟件構(gòu)建了基于三維視角的虛擬手部關(guān)節(jié)模型，通過解算的姿態(tài)數(shù)據(jù)對虛擬模型進行初始化標定和數(shù)據(jù)驅(qū)動，實現(xiàn)運