[发明专利]一种基于超声波和惯性传感器的三维笔式定位方法

说明书

本发明涉及一种基于超声波和惯性传感器的三维笔式定位方法，适用于虚拟现实、人机交互、信息化教育、三维多媒体交互控制等应用领域。电子笔集成超声波发射器、红外发射器和九轴惯性传感器，通过三维超声波无线定位技术获得电子笔笔尖的三维坐标，在超声信号受到遮挡时，利用九轴传感器的进行三维定位，并根据姿态信息，计算出电子笔超声波传感器的坐标，解决超声波在遮挡情况下的无法对电子笔定位的问题，并利用超声波三维定位坐标实时校正九轴传感器定位坐标的累积误差，从而实现超声定位与九轴惯性传感器定位的互相弥补，实现三维交互空间的无遮挡轨迹跟踪和连续操控。

技术领域

本发明涉及一种三维笔式定位方法，具体涉及一种基于超声波和九轴(三轴加速度、三轴陀螺仪和三轴地磁)惯性传感器的三维联合定位技术，以超声波三维定位为主，在超声波传感器受到遮挡时由九轴传感器实现电子笔的定位，九轴传感器的累积误差由超声波三维定位坐标进行实时校正，可实现电子笔的三维无遮挡实时定位与跟踪，可用于虚拟现实(VR)、人机交互、信息化教育、三维多媒体交互控制等应用领域。

背景技术

随着三维人机交互、虚拟现实的迅速发展，移动目标(操作杆、电子笔、头部、手等)的实时三维定位跟踪技术成为必需技术。

目前用于三维交互和虚拟现实空间定位技术主要包括如下几种：

(1)激光定位技术

基本原理：在空间内安装数个可发射激光的装置，对空间发射横竖两个方向扫射的激光，被定位的物体上放置了多个激光感应接收器，通过计算两束光线到达定位物体的角度差，从而得到物体的三维坐标，物体在移动时三维坐标也会跟着变化，便得到了动作信息，完成动作的捕捉。

优缺点：激光定位技术的优势在于定位精度高，同时可支持多个目标定位，可移动范围广。缺点是其利用机械方式来控制激光扫描，稳定性和耐用性较差，随着使用时间的加长，机械结构磨损，也会导致定位失灵等故障，虽然被跟踪目标上放置了多个激光感应接收器，仍存在因遮挡而无法定位问题。

(2)红外光学定位技术

基本原理：通过在空间内安装多个红外发射摄像头，从而对整个空间进行覆盖拍摄，被定位的物体表面安装了红外反光点，摄像头发出的红外光经反光点反射，随后捕捉到这些经反射的红外光，配合多个摄像头工作再通过后续程序计算后便能得到被定位物体的空间坐标。

优缺点：红外光学定位技术的优点是有着较高的定位精度，延迟率低，不足的是这全套设备加起来成本非常高，而且使用起来很麻烦，需要在空间内搭建非常多的摄像机，存在遮挡而无法定位问题。

(3)可见光定位技术

基本原理：可见光定位技术的原理和红外光学定位技术有点相似，同样采用摄像头捕捉被追踪物体的位置信息，只是其不再利用红外光，而是直接利用可见光，在不同的被追踪物体上安装能发出不同颜色的发光灯，摄像头捕捉到这些颜色光点从而区分不同的被追踪物体以及位置信息。

优缺点：可见光定位技术的优点是造价成本最低，而且无需后续复杂的算法，技术实现难度不大。不足的是这种技术定位精度相对较差，抗遮挡性差，而且对环境也有一定的使用限制，假如周围光线太强，灯光被削弱，可能无法定位，如果使用空气有相同色光则可能导致定位错乱，同时也由于摄像头视角原因，可移动范围小，灯光数量有限，可追踪目标不多。

(4)计算机视觉动作捕捉技术

基本原理：基于计算机视觉原理，其由多个高速相机从不同角度对运动目标进行拍摄，当目标的运动轨迹被多台摄像机获取后，通过后续程序的运算，便能在电脑中得到目标的轨迹信息，也就完成了移动目标的定位、跟踪以及动作捕捉。