[发明专利]基于虚拟现实技术的空间定位定姿系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术，尤其涉及一种基于虚拟现实(VR)技术的空间定位定姿系统及其方法。

背景技术

虚拟现实(VR)技术，是利用电脑或其他智能计算设备模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供关于视觉、听觉、触觉等人体感官的模拟，让用户如同身临其境一般，即“完全在场感”。要实现这种“完全在场感”的使用体验，除了对VR系统的视觉性能指标有所要求外，还要求VR系统可以提供空间定位定姿功能。定位即确定载体，如VR头盔、VR控制器、道具等在空间中包含三个自由度的位置信息；定姿即确定载体在空间中包含三个自由度的方向信息，通常使用欧拉角、四元数或旋转矩阵来表达载体的姿态信息。

虚拟现实系统中基于惯性传感器的空间定位定姿系统，通常包括9轴惯性测量单元(IMU)惯性传感器模组、无线传输模块、主控及图形计算单元、头戴式显示头盔。空间定位的一般工作过程为，首先对IMU惯性传感器测量得到的加速度数据进行积分，故而得到载体速度数据，再对速度数据进行积分得到载体位移数据，进而获得载体在空间中的相对位置信息。

在现有技术条件下，实现基于惯性传感器针对虚拟现实系统的空间定位定姿技术时，由于惯性传感器固有的误差会在积分过程中累积，继而会导致位置漂移，最终导致系统无法连续提供准确的空间位置数据和达到实现虚拟现实系统的高精度、实时性要求，因此无法实现虚拟现实系统能提供“完全在场”的使用体验。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于虚拟现实(VR)技术的空间定位定姿系统及其方法，以克服现有基于惯性传感器的VR系统空间定位定姿系统中存在固有测量误差并随积分过程向下积累，从而导致位置漂移以至无法提供连续准确的空间位置测量数据的技术缺陷。

本发明的另一目的在于提供一种基于VR技术的空间定位定姿系统及其方法，通过利用激光传感器融合IMU惯性传感器测量数据，采用基于卡尔曼滤波 (最优估计)的传感器融合算法，实现系统连续正常输出姿态与位置信息，从而解决应用激光测距原理进行测量过程存在遮挡的情况下不能连续正常输出位置数据的技术缺陷。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于虚拟现实VR技术的空间定位定姿系统，包括VR头盔，还包括两个基站、两只VR手柄以及一台计算机；所述两只VR手柄与VR头盔之间，基站与VR头盔之间，以及所述头盔与所述计算机之间均通过蓝牙模块进行无线通信。

其中，所述基站还包括X轴电机驱动控制电路、Y轴电机驱动控制电路、激光器驱动控制电路、LED驱动控制电路、光敏传感器接收调理电路以及蓝牙通信模块；

所述X轴、Y轴电机驱动控制电路，分别用于驱动步进电机沿着X轴及Y 轴在一定角度范围内执行周期性往复式的扫描动作；

所述激光器驱动电路，用于驱动激光器发射激光扫描信号，以形成用于被测载体的姿态和位置测量的激光扫描场；

LED驱动控制电路，控制LED按照固定周期闪烁发光，与被测载体上安装的LED光敏传感器结合，用于触发被测载体启动计时、计算姿态和位置解算需要的时间参数；

光敏传感器接收调理电路，用于调理激光信号与LED信号，并将其转化为适合下一环节测控单元接口的信号格式，还用于实现基站之间的通信功能并完成参考坐标系的建立；

蓝牙通信模块，用于实现所述基站与VR头盔之间的无线通信功能。

所述VR头盔，还包括左眼屏幕显示电路、右眼屏幕显示电路、高清视频处理电路、光敏传感器接收调理电路、USB通信电路以及蓝牙通信模块；其中：

左、右眼屏幕显示电路，分别用于驱动左、右OLED屏幕的点亮和正常画面显示；

高清视频处理电路，用于接收和处理从所述计算机通过HDMI线传输过来的视频信号；

光敏传感器接收调理电路，用于调理激光信号与LED信号，并将其转化为适合下一环节测控单元接口的信号格式；

USB通信电路，用于所述计算机与VR头盔之间的控制信号的通信传输；

蓝牙通信模块，用于实现所述VR手柄与VR头盔、所述VR头盔与所述基站之间的无线通信功能。

所述VR手柄，还包括按键处理电路、触摸面板处理电路、光敏传感器接收调理电路以及蓝牙通信模块；其中：

所述按键处理电路，用于接收和解码VR手柄上的键位控制信号输入；

触摸面板处理电路，用于接收和解码VR手柄上的触摸板的控制信号输入；