[发明专利]测量物体位置和方位的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量物体方位的方法，所述物体在人体控制下运动，例如游戏手柄、遥控器、鼠标等。

背景技术

物体的位置，是指物体在特定的坐标系中相对于给定参考点(通常是坐标系的原点)的线性位移。在数学上，描述位置就等价于描述线性位移。在概念上，位置是指单一状态，而线性位移是指两个位置间的差别。

物体的方位(orientation)，也称为物体的姿态(attitude)，描述的是物体的朝向。物体的方位是通过与已知方位(通常称为源方位)的旋转来描述的，旋转的量称作角位移。在数学上，描述方位就等价于描述角位移。在概念上，方位是指单一状态，而角位移是指两个状态间的差别。

描述物体的方位或角位移具有多种表示方式，通常用欧拉角(Euler angles)的形式来表示方位，用四元数(quaternion)或旋转矩阵(rotation matrix)的形式来表示角位移。这几种表示方式之间都是可以互相转换的。更详细的信息可参考《3D数学基础：图形与游戏开发》(Fletcher Dunn、Ian Parberry著，清华大学出版社，2005年8月出版)

欧拉角具有多种定义方式，本发明中示例性地采用泰特-布莱恩角(Tait-Bryan angles)，又称为导航角(navigation angles)、卡丹角(Cardan angles)，这是一种最常见的欧拉角形式。泰特-布莱恩角包括偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)和滚动角(roll)。其中，偏航角以ψ表示，取值范围是-180～180度；俯仰角以f表示，取值范围是-90～90度；滚动角以θ表示，取值范围是-180～180度。

随着微机电系统(Micro Electromechanical System，MEMS)技术的不断发展，基于这种技术的传感器在消费电子产品中也得到了广泛地应用。例如，陀螺仪应用于数码相机中做防抖动处理；加速度传感器集成于笔记本电脑内部实现防跌落硬盘保护；磁传感器应用于手机中实现指南针的功能等等。

陀螺仪(gyroscope)是一种常用的方位测量装置，陀螺仪输出角速度，是瞬时量。通常将角速度与时间做积分运算得到角度变化量(角位移)，将该角位移与初始方位相加，得到目标方位。其中积分时间越小，计算的角位移越准确。但陀螺仪的测量基准是自身，并没有系统外的绝对参照物，加上积分时间不可能无限小，因此积分运算的累积误差会随着时间流逝迅速增加，最终导致输出角度与实际角度不符。陀螺仪具有自校准功能，当陀螺仪在使用过程中处于静止状态并维持一段时间后，其会对中心点进行自校准。

加速度传感器(accelerometer)是一种常用的位置测量装置，加速度传感器输出加速度，也是瞬时量。通常将加速度与时间做两次积分运算得到位置变化量(线性位移)，将该线性位移与初始位置相加，得到目标位置。加速度传感器测量得到的加速度信号是重力加速度分量、向心加速度分量和线性加速度分量的总和。

地磁传感器(geomagnetic sensor)是一种常用的方向测量装置。地磁传感器在使用过程中只有在确保自身方位正确的前提下，才能测量出准确的地磁信号。地磁传感器也具有自校准功能，当地磁传感器在使用过程中采集到足够多的特征点(运行角度较多)，其将会进行自校准。特征点数量是否足够多，由地磁传感器内置的自校准算法进行判断。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量物体位置和方位的方法，该方法可以减小使用陀螺仪测量物体方位时的累计误差问题。

为解决上述技术问题，本发明测量物体位置和方位的方法，所述物体上包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴地磁传感器，所述方法为：

其中，测量物体位置的方法是：三轴加速度传感器测量物体的加速度并输出给处理器，处理器将该加速度中剔除掉重力加速度分量和向心加速度分量，得到线性加速度分量；处理器将该线性加速度分量与时间进行两次积分运算得到物体在该时间内的线性位移；处理器将物体的初始位置与该线性位移相加，得到物体的当前位置；

其中，测量物体方位的方法是：三轴陀螺仪测量物体的角速度并输出给处理器，处理器将该角速度与时间进行积分运算得到物体在该时间内的角位移，处理器将物体的初始方位与该角位移相加称为第一方位；处理器至少给出四元数形式和欧拉角形式表示的第一方位；