CN110383002A - 空间取向的确定 - Google Patents

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Abstract

一种用确定对象的空间取向的方法，所述方法包括以下步骤：借助第一传感器检测所述对象的旋转速度；基于所检测的旋转速度以及空间取向的初始值确定所述对象的空间取向的估计值；借助第二传感器检测作用在所述对象上的加速度a测量；基于所检测的旋转速度和所述第二传感器与旋转运动的旋转轴线的给定距离来确定所检测的加速度a测量的由旋转运动引起的加速度分量；确定所检测的加速度a测量的由地球引力引起的加速度分量a重力；在考虑由地球引力引起的加速度分量a重力的情况下校正所述空间取向的估计值。

Description

空间取向的确定
技术领域
本发明涉及空间取向的确定。本发明尤其涉及安装在使用者头部的VR设备(VR：虚拟现实；Virtual Reality)的空间取向的确定。
背景技术
为了呈现虚拟情况，向使用者呈现与虚拟情况尽可能持续匹配的感官刺激。为此，可以提供安装在使用者头部的光学或声学VR设备(“耳机”)，这种VR设备例如包括光学显示装置和/或声学输出装置。
US D 701 206 S1示出这种VR设备。当使用者使其头部运动时，则在借助显示装置向使用者示出的虚拟情况中，使用者的视角应跟随其头部运动。为此，应尽可能快速且准确地确定VR设备在空间中的空间取向。为此通常使用陀螺仪，该陀螺仪测量围绕一个或多个轴线的旋转速率。可以通过对旋转速率在时间上进行积分来确定取向。
然而，尤其成本有利的陀螺仪经受一定的测量不准确性。为了补偿不准确性或误差，可以借助加速度测量仪确定重力加速度的方向作为参考。因为重力加速度的方向通常并非恰好处于头部旋转轴线上，所以例如可能存在如下情况：当实际上只发生围绕竖直轴线的旋转时，却可能会确定头部围绕纵轴旋转。
发明内容
本发明的任务在于，说明一种用于确定VR设备的空间取向的改善的技术。
一种用于确定对象的空间取向的方法包括以下步骤：借助第一传感器检测对象的旋转速度；基于所检测的旋转速度和空间取向的初始值确定对象的空间取向的估计值；借助第二传感器检测作用在对象上的加速度a测量；基于所检测的旋转速度以及第二传感器与旋转运动的旋转轴线的给定距离，确定所检测的加速度a测量的由旋转运动引起的加速度分量；确定所检测的加速度a测量的由地球引力引起的加速度分量a重力；并且在考虑到由地球引力引起的加速度分量a重力的情况下校正空间取向的估计值。
通过所描述的方法尤其能够改善地补偿第一传感器的长期漂移或测量误差。由此可以快速且准确地确定空间中的空间取向。可以避免使用低通滤波器来平滑加速度测量值。由此，借助该方法所确定的空间取向可以具有减少的延迟时间(Latenzzeit)。这种方法特别适用于如下VR设备：该VR设备为了引起令人信服的VR效果而需要关于旋转取向的低延迟且准确的信息。
优选地，迭代地运行该方法，其方式是：在每次运行该方法时，将上一次运行的对象的空间取向的经校正的估计值用作空间取向的初始值。例如，在与VR设备结合使用时，可以借助几千赫兹的频率来实施该方法。通过将所确定的取向反馈到后续运行的取向确定中，可以在总体上实现所确定的取向的改善的准确性。
空间取向的估计值的确定可以包括对所检测的旋转速度在时间上进行积分。尤其优选数值积分。如果以相同的时间间隔迭代地运行该方法，则可以特别高效地实现这一点。
平移分量与传感器能够围绕旋转轴线绘制的圆形轨迹相关。在一种实施方式中，平移分量包括向心加速度。平移分量还可以包括切向加速度。在确定由旋转运动引起的加速度分量的范畴内，可以求取至少一个切向加速度分量a切向和至少一个向心加速度分量a向心。切向加速度尤其可以在旋转运动的开始时和结束时出现。向心加速度尤其可以在旋转运动期间起作用，该向心加速度的量值可以取决于围绕旋转轴线的旋转的角速度，并且该向心加速度的方向可以取决于旋转轴线和旋转角。
在确定由地球引力引起的加速度分量a重力的范畴内，可以求取地球引力的方向。在校正空间取向的估计值时，可以考虑加速度分量a重力的方向。
一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括程序代码单元，该程序代码单元用于当在处理装置上运行计算机程序产品时或者在计算机可读的数据载体上存储有该计算机程序产品时执行上述方法。
尤其可以借助处理装置来执行该方法的一部分，该处理装置可以包括可编程的微计算机或微控制器。所述方法的、计算机程序产品的、具有这种处理装置的设备的以及包括该设备的***的优点或特征可以以相应的方式分别涉及其他主题中的一个。
一种用于确定对象的空间取向的设备包括：用于检测对象的旋转速度的第一传感器；用于检测作用在对象上的加速度a测量的第二传感器以及处理装置。该处理装置设置用于基于所检测的旋转速度和空间取向的初始值确定对象的空间取向的估计值；基于第二传感器与旋转运动的旋转轴线的给定距离来确定所检测的加速度a测量的由旋转运动引起的加速度分量；确定所检测的加速度a测量的由地球引力引起的加速度分量a重力；在考虑由地球引力引起的加速度分量a重力的情况下校正空间取向的估计值。
该设备通常可以用于确定任意对象的空间取向。示例性对象例如包括手持工具(尤其是电动手持工具)、机动车或移动计算机。如所提及的那样，处理装置优选设置用于实施上述方法的至少一部分。
进一步优选的是，微机械***包括所述传感器中的一个。微机械***(也称为微机电***或微机)通常以半导体技术构造并且使用最小尺寸通常在微米范围内的部件。通常，这种传感器包括可移动悬挂的微机械测试质量、用于对测试质量的运动进行采样的传感器以及用于基于所确定的运动确定期望尺寸的分析处理电路。这种传感器可以是成本有利的。通过所描述的处理可以改善地补偿这种传感器的测量不准确性或长期漂移。
第一传感器可以涉及单轴的、双轴的或三轴的微机械陀螺仪传感器(Gyrosensor)。第二传感器可以涉及单轴的，双轴的或三轴的微机械加速度传感器。
VR设备包括用于固定在使用者头部的固定装置、光学或声学输出设备以及上述设备。由此，可以借助光学或声学输出设备改善地执行刺激与所确定的空间取向的匹配。由此，对于使用者而言，可以形成对所呈现的信息的改善的真实印象。
在另一优选实施方式中，固定装置是能够调节的，并且设置采样装置，以便基于固定装置的调节状态确定第二传感器与旋转轴线的距离。由此，该方法可以改善地自动地匹配于不同使用者的不同头部尺寸。由此可以提高所确定的空间取向的准确性。
附图说明
现在参考附图更准确地描述本发明，其中示出：
图1示出用于固定在使用者头部的VR设备；
图2示出由于旋转速度而起作用的平移加速度的示意图；
图3示出用于确定空间取向的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出VR设备100，该VR设备借助固定装置105安装在使用者100的头部上。优选地，该VR设备包括光学输出装置115和/或声学输出装置120。借助输出装置115、120可以向使用者110呈现刺激，这种刺激将所生成的(即虚拟的)现实的印象提供给使用者。为此，应根据使用者110的头部的空间取向来控制刺激。
为此，在VR设备100上设置设备125，该设备优选具有用于确定旋转速度的第一传感器130和用于确定加速度的第二传感器135。附加地设置处理装置140，以及优选设置用于提供所确定的空间取向的接口145。传感器130、135中的一个或两个尤其可以实施成微机械传感器。在所示出的实施方式中，两个传感器130、135示例性地是彼此集成的。可以仅基于第一传感器130确定VR设备100或设备125的空间取向的一级近似。然而，因为第一传感器130仅测量加速度(即空间取向的变化)，所以必须进行初始化。该初始化例如可以关于重力加速度的方向进行，可以在设备125静止时借助第二传感器135确定该重力加速度的方向。与重力加速度的方向的比较也可以用于补偿第一传感器130的测量误差或长期漂移。
然而，如果使用者110旋转其头部——例如围绕竖直轴线150旋转，则在第二传感器135上可能存在以下力的作用：该力可能暂时使重力加速度方向的确定失真。建议补偿这种失真。为此，了解第二传感器135与旋转轴线150之间的距离155会是有帮助的。在一种实施方式中，可以估计或固定预给定距离155。在另一实施方式中，使用者110可以自己预给定距离155。在所示出的优选实施方式中，固定装置105实施成能够调节的，以便实现在不同使用者110的不同尺寸的头部上安装VR设备。距离155可以是使用者110的头部尺寸的函数。可以设置采样装置160，以便对能够调节的固定装置105进行采样并且因此提供距离155的大小的度量。然后，优选借助处理装置140进一步处理距离155。
图2示出加速度的示意图，该加速度由于旋转加速度而作用在图1中的第二传感器135上。在图2中以俯视图隐含地可以看出人员110的头部和VR设备100。为了进行定向，说明三维笛卡尔坐标系。z轴从显示平面向观察者延伸并且示例性地与图1的竖直轴线150重合。
如果使用者110围绕竖直轴线150旋转其头部，则第二传感器135近似在围绕旋转轴线150的圆形轨迹205上运动。如果旋转速度改变(例如在旋转运动的开始或结束时)，则切向加速度210作用在第二传感器135上。此外，只要使第二传感器135沿着圆形轨迹205运动，则指向旋转轴线150的向心加速度215作用在第二传感器135上。在使用者110的头部的旋转过程期间，可能会错误地认为重力加速度的方向(该重力加速度的方向在图2中以正确的方式沿z方向的相反方向延伸)处于切向加速度210或向心加速度215的方向上。加速度的量值取决于第二传感器135与旋转轴线150之间的距离155以及围绕旋转轴线150的旋转运动的大小或旋转速度的大小。
图3示出用于确定空间取向的方法300的流程图。方法300尤其可以与图1的设备125结合使用。在此，设备125不一定必须是VR设备100的一部分。
在步骤305中，例如借助第一传感器130对旋转速度进行采样。在步骤310中，由采样值确定第一传感器130的或第一传感器周围的***125、100的空间取向。为此，尤其可以对所确定的旋转速度在时间上进行积分。
优选地，与步骤305同期或同时地，在步骤315中例如借助第二传感器135确定第二传感器135的或第二传感器周围的***125、100的加速度。如果第二传感器135不发生旋转，则所采样的加速度的方向相应于重力的方向。然而，如果第二传感器135发生旋转，则必须确定平移力，以便将重力加速度的实际方向从测量值中分解出来。
为此，在步骤320中确定平移分量——尤其切向加速度210和向心加速度215(参见图2)。切向加速度可以按照如下方式表示：
其中
a切向表示切向加速度
ω表示角速度
t 表示时间
r表示距离155
在此，角标k代表方法300的一个运行。前一次运行具有角标k-1，并且下一运行具有脚注k+1。
相应地可以按照如下方式说明向心加速度：
a向心，k＝ωk×ωk×rk (公式2)
其中：
a向心表示向心加速度
优选按照如下方式确定公式1中所使用的角速度的时间导数：
其中：
Δ表示步骤k与步骤k+1之间的时间间隔
在了解平移分量210、215的情况下，然后在步骤325中，可以基于所采样的平移加速度按照如下方式确定重力加速度的方向：
a重力，k＝a测量-(a切向，k+a向心，k) (公式4)
其中：
a测量表示所测量的平移(线性)加速度
现在可以在步骤330中借助所确定的重力加速度校正之前在步骤310中所确定的空间取向。例如优选在步骤335中借助接口145提供所校正的空间取向。
通常三维地执行所述确定。尤其可以借助线性代数或矢量和矩阵来进行这种处理。例如，可以在可编程的微计算机上以较少开销实现方法300。

Claims (12)

1.一种用于确定对象的空间取向的方法(300)，其中，所述方法(300)包括以下步骤：
借助第一传感器(130)检测(305)所述对象的旋转速度；
基于所检测的旋转速度和所述空间取向的初始值确定(310)所述对象的空间取向的估计值；
借助第二传感器(135)检测(315)作用在所述对象上的加速度(a测量)；
基于所检测的旋转速度和所述第二传感器(135)与旋转运动的旋转轴线的给定的距离(155)来确定(320)所检测的加速度a测量的由所述旋转运动引起的加速度分量(a切向+a向心)；
确定(325)所检测的加速度(a测量)的由地球引力引起的加速度分量(a重力)；
在考虑所述由地球引力引起的加速度分量(a重力)的情况下校正(330)所述空间取向的估计值。
2.根据权利要求1所述的方法(300)，其中，迭代地运行所述方法(300)，其方式是：在每次运行所述方法时，将上一次运行(335)的对象的空间取向的经校正的估计值用作所述空间取向的初始值。
3.根据权利要求1或2所述的方法(300)，其中，确定(310)所述空间取向的估计值包括：对所检测的旋转速度在时间上进行积分。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)，其中，在确定(320)由所述旋转运动引起的加速度分量(a切向+a向心)的范畴内，求取至少一个切向加速度分量(a切向)(210)和至少一个向心加速度分量(a向心)(215)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)，其中，在确定(325)由所述地球引力引起的加速度分量(a重力)的范畴内，求取所述地球引力的方向。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在校正(330)所述空间取向的估计值时，考虑所述加速度分量(a重力)的方向。
7.一种具有程序代码单元的计算机程序产品，所述程序代码单元用于当在处理装置(140)上运行所述计算机程序产品时或在计算机可读的数据载体上存储有所述计算机程序产品时执行根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)。
8.一种用于确定对象的空间取向的设备(215)，其中，所述设备包括：
第一传感器(130)，所述第一传感器用于检测所述对象的旋转速度；
第二传感器(135)，所述第二传感器用于检测作用在所述对象上的加速度(a测量)；
处理装置(140)，所述处理装置设置用于：基于所检测的旋转速度和所述空间取向的初始值来确定所述对象的空间取向的估计值；基于所述第二传感器(135)与旋转运动的旋转轴线的给定的距离(155)来确定所检测的加速度a测量的由所述旋转运动引起的加速度分量(a切向+a向心)；确定所检测的加速度(a测量)的由地球引力引起的加速度分量(a重力)；在考虑所述由地球引力引起的加速度分量(a重力)的情况下校正所述空间取向的估计值。
9.根据权利要求8所述的设备(215)，其中，所述第一传感器(130)涉及单轴的、双轴的或三轴的微机械陀螺仪传感器。
10.根据权利要求8或9所述的设备(215)，其中，所述第二传感器(135)涉及单轴的、双轴的或三轴的微机械加速度传感器。
11.一种VR设备(100)，所述VR设备包括用于固定在使用者(110)的头部的固定装置(105)，所述VR设备还包括光学输出设备(115)或声学输出设备(120)以及根据权利要求8至10中任一项所述的设备(125)。
12.根据权利要求11所述的VR设备(100)，其中，所述固定装置(105)是能够调节的，并且设置采样装置(160)，所述采样装置用于基于所述固定装置(105)的调节状态来确定所述第二传感器(130)与旋转轴线的距离。
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