TW202024571A - 多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法 - Google Patents

多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法 Download PDF

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Abstract

本發明揭露一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法，該系統包含：複數個慣性感測單元，該複數個慣性感測單元係分別設置於一多剛體的複數個不同連桿；其中，每個慣性感測單元更包含一加速規、一磁力計、一陀螺儀、以及一計算及補償單元；該校正方法更包含：計算及補償單元選擇通訊通道、以及初始化參數；計算及補償單元選擇通訊通道、以及分別進行物件向量資訊計算、旋轉補償、以及安裝誤差補償；計算各慣性感測單元間夾角與各慣性感測單元端點的位置；輸出該補償後物件向量資訊、該夾角、以及該端點位置等資訊。

Description

多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法
本發明係有關一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法。
隨著近年來人機互動的情境的需求越來越多，例如：VR、AR、電影產業、運動科學量測、醫學產業等，由於多剛體連桿角度量測系統能應用於人體姿態量測，以及其他連桿系統如機械手臂等應用情境上，因此多剛體連桿角度量測系統的發展逐漸引起學界與業界的重視。所謂多剛體連桿系統一般泛指由複數個連桿透過連接而組成的一個多剛體，其中每個連桿可在其與其他連桿連接處以不分離方式運動，且每個連桿維持其剛體之特性。
傳統上的人體姿態量測裝置，大多以視覺來做辨識，然而其應用便會受限於量測場地以及光線遮蔽的問題，為此，如何設計能穿戴於使用者上，且避免光線遮蔽與環境光的干擾的多剛體連桿角度量測系統也成為業界實際應用上的重要課題。
在台灣專利號I612276中揭露一種慣性式物件姿態測量系統及方法；其中，主要係將慣性量測單元所含的加速規、磁力計以及陀螺儀等三種感測器，分別量測重力和地磁方向以及物件的旋轉速度；然後再利用上述三種資訊，透過數學模型的建立便可以得知該量測單元於空間中之姿態，若將其固定於一剛性物體上，便可以量測該物體之姿態。換言之，若將台灣專利號I612276中的複數個慣性量測單元分別整合至一個多剛體連桿裝置或物體上，即可成為一多剛體連桿角度量測系統；亦即，可透過各慣性感測單元測量物連桿姿態，搭配桿件長度得知多連桿系統各端點位置並可記錄其軌跡。再者，亦可透過各慣性感測單元量測各連桿所呈現之夾角角度並可加以記錄。
然而，若是直接將複數個慣性量測單元直接整合至一個多剛體連桿裝置或物體上時，尤其是非規則狀的物體時，可能容易產生量測誤差。主要原因在於，在理想情況下，假設慣性感測單元的一特定軸可完美地貼合一物體，其物體姿態便可以透過計算該慣性感測單元的特定軸在參考坐標系中的表示來呈現。但是，在現實狀況中，由於缺乏安裝承靠面，慣性感測單元會有安裝誤差產生。再者，由於慣性量測單元只能量測物體的姿態，若要精準地量測多連桿系統中各端點的切確位置，需先量測各桿件長度以及彼此之間的相對位置。第1圖所示為將複數個慣性量測單元整合至一量測手套的示意圖；而第2圖所示為未經校正的慣性量測單元所對應的指節示意圖。如第1圖與第2圖所示，由於手指的指節長度不一，因此慣性量測單元之間的相對位置並不盡然一致；若未經校正，則必然引發後續量測失誤。
本發明之一實施例揭露一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法，適用於一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統，該系統包含：複數個慣性感測單元，該複數個慣性感測單元係分別設置於一多剛體的不同連桿；其中，每個慣性感測單元更包含一加速規、一磁力計、一陀螺儀、以及一計算及補償單元；該校正方法更包含：依據該計算及補償單元的編號及分佈設計資訊選擇通訊通道、以及初始化各該計算及補償單元的設定參數；依據該計算及補償單元的編號及分佈設計資訊選擇通訊通道、以及各該計算及補償單元分別將來自該加速規、磁力計、與陀螺儀的量測資訊計算成一物件向量資訊，進行旋轉補償、以及安裝誤差補償後輸出一補償後物件向量資訊；計算各該慣性感測單元之間夾角與各該慣性感測單元端點的位置；輸出該補償後物件向量資訊、各該慣性感測單元間夾角、以及各該慣性感測單元端點的位置資訊。
在一較佳實施例中，該初始化各計算及補償單元的設定參數步驟更包含：依據一連桿連接關係資訊設定一待測連桿的相對位置；根據一連桿長度資訊設定該待測連桿的長度；設定該計算及補償單元的量測速率、量測範圍、以及解析度。
在一較佳實施例中，在各該計算及補償單元依據一安裝誤差資訊進行安裝誤差補償步驟中；該安裝誤差資訊係透過一安裝誤差量測程序獲得，該安裝誤差量測程序包含：將該慣性感測單元安裝於一待測連桿之上；將該待測連桿固定於一旋轉平台之上，該平台旋轉軸與該待測連桿 之一特定方向重合，並紀錄該待測連桿的初始姿態；該待測連桿隨著旋轉平台之旋轉軸轉動一特定角度；量測旋轉後該待測連桿之姿態；依據該初始姿態、轉動後姿態、以及轉動角度，計算該安裝誤差資訊。
在一較佳實施例中，當計算兩相鄰連桿之間的夾角時，包含：先計算兩相鄰連桿的姿態訊息的差異，再轉換至翻滾角(φ)、俯仰角(θ)、偏行角(ψ)等三個旋轉角度；其中，該姿態訊息係以四元數方式表示。
在一較佳實施例中，當計算各該連桿端點之相對位置時，係依據該連桿之指向與該慣性感測單元一特定向量之間的關係；再透過該慣性感測單元計算該連桿姿態資訊，並以該姿態資訊計算連桿的指向向量；最後將各該連桿的相對原點進行向量累加以計算各該連桿的端點。
301、302、303、304‧‧‧步驟
501、502、503‧‧‧步驟
601、602、603、604、605‧‧‧步驟
q1、q2‧‧‧姿態訊息四元數
qdiff.‧‧‧姿態訊息四元數差值
第1圖所示為將複數個慣性量測單元整合至一量測手套的示意圖；而第2圖所示為未經校正的慣性量測單元所對應的指節示意圖；第3圖為本發明之一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法之流程圖；第4圖所示為第1圖中之量測手套的實施例中該慣性感測單元的編號示意圖； 第5圖所示為本發明之一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法中該初始化各計算及補償單元的設定參數步驟的流程圖；第6圖所示為本發明之一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法中該安裝誤差量測程序流程圖；第7圖所示為本發明之計算連桿之間夾角的示意圖；第8圖所示為本發明透過各連桿的相對原點進行向量累加以計算各連桿的端點的示意圖；第9圖所示為第2圖中之經校正的慣性量測單元所對應的指節示意圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本發明說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
須知，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效 及所能達成之目的下，均應落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。
本發明主要係揭露一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法；該多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統可藉由將複數個慣性感測單元分別安裝整合至一個具有多連桿的剛體的各個不同連桿部位而構成。其中該慣性感測單元
適用於一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統，該系統包含：複數個慣性感測單元，該複數個慣性感測單元係分別設置於一多剛體的不同連桿；其中，每個慣性感測單元更包含一加速規、一磁力計、一陀螺儀、以及一計算及補償單元；該計算及補償單元將來自該加速規、磁力計、與陀螺儀的量測資訊計算成一物件向量資訊，進行旋轉補償、以及安裝誤差補償後輸出一補償後物件向量資訊。
本發明之一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法係將透過校正該複數個慣性感測單元的安裝誤差，以改善量測正確性與精準度。參考第3圖，第3圖為本發明之一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法之流程圖。如第3圖所示，本發明之一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法更包含下列步驟：步驟301：依據該計算及補償單元的編號及分佈設計資訊選擇通訊通道、以及初始化各計算及補償單元的設定參數。由於各計算及補償單元之間必須的資訊必須經過整合方能進行校正，因此各個計算及補償單元必須依據各計算及補償單元的編號及分佈設計資訊選擇通訊通道，包括如多工器或其他通訊硬體等；例如，第4圖所示為第1圖中之量測手套的實 施例中該慣性感測單元的編號示意圖。其中，畫底線的數字編號0-15分別代表該慣性感測單元的編號，而未畫底線的數字代表所選擇的通訊通道。接著，對各計算及補償單元的參數進行初始化。
第5圖所示為本發明之一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法中該初始化各計算及補償單元的設定參數步驟的流程圖。如第5圖所示，該初始化各計算及補償單元的設定參數步驟更包含：步驟501係依據連桿連接關係資訊設定待測連桿的相對位置；步驟係502根據連桿長度資訊設定該待測連桿的長度；步驟503係設定該計算及補償單元的量測速率、量測範圍、以及解析度。值得說明的是，該連桿連接關係資訊、連桿長度資訊等皆為預先備製之資訊，本發明不限於任何特定格式。待完成初始化參數後，即進入步驟302以執行物件向量資訊計算以及相關補償運算。
步驟302：依據該計算及補償單元的編號及分佈設計資訊選擇通訊通道、以及各計算及補償單元分別進行物件向量資訊計算、旋轉補償、以及安裝誤差補償。其中之依據該計算及補償單元的編號及分佈設計資訊選擇通訊通道步驟與前述相同；而進行物件向量資訊計算、旋轉補償等方法則與台灣專利號I612276中所揭露慣性式物件姿態測量方法相同。換言之，本發明係基於各計算及補償單元分別進行該慣性式物件姿態測量方法的旋轉補償後，然後再進行安裝誤差補償。
在一較佳實施例中，該各計算及補償單元係依據一安裝誤差資訊進行安裝誤差補償，該安裝誤差資訊可透過一安裝誤差量測程序獲得。第6圖所示為本發明之一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統 之校正方法中該安裝誤差量測程序流程圖。如第6圖所示，該安裝誤差量測程序包含：步驟601係將該慣性感測單元安裝於一待測連桿之上；步驟602係將該待測連桿固定於一旋轉平台之上，該平台旋轉軸與待測連桿之一特定方向重合，並紀錄待測連桿的初始姿態；步驟603係讓該待測連桿隨著旋轉平台之旋轉軸轉動一特定角度；步驟604係量測旋轉後該待測連桿之姿態；步驟605係依據該初始姿態、轉動後姿態、以及轉動角度，計算安裝誤差資訊。
步驟303：計算各慣性感測單元之間夾角與各慣性感測單元端點的位置；步驟304：輸出該補償後物件向量資訊、各該慣性感測單元間夾角、以及各該慣性感測單元端點的位置等資訊。
在一較佳實施例中，本發明提供的各慣性感測單元所依附的連桿之間夾角與各慣性感測單元所依附的連桿的端點位置分別說明如下：由於經演算法計算後所輸出的物件姿態訊息是以四元數(quaternion)之方法呈現，因此，當計算連桿之間夾角時，先計算兩相鄰連桿的姿態訊息的差異，再轉換至翻滾角(φ)、俯仰角(θ)、偏行角(ψ)等三個旋轉角度。參考第7圖，第7圖所示為計算連桿之間夾角的示意圖。
首先，將代表兩相鄰連桿姿態資訊q1、q2兩四元數相除得qdiff.=q1/q2；其中，q diff. 表示兩相鄰物件姿態的旋轉差異(以q 2為基準)。
並且，q1、q2表示方式如下：q 1=(w 1+x 1 i +y1 j +z 1 k )
q2=(w2+x2i+y2j+z2k)
由於代表姿態資訊的四元數(q 1、q 2)係為單位四元數；亦即，(w 2+x 2+y 2+z 2=1)；q diff. 可表示為q diff. =q 1 *
Figure 107146674-A0101-12-0009-19
，其中
Figure 107146674-A0101-12-0009-22
=(w 2-x 2 i -y 2 j -z 2 k )。
依據四元數乘法運算法則，q diff. 的運算如下：q diff. =q1 *
Figure 107146674-A0101-12-0009-23
=[(w1 * w2+x1 * x2+y1 * y2+z1 * z2)+(-w1 * x2+x1 * w2-y1 * z2+z1 * y2)i+(-w1 * y2+x1 * z2+y1 * w2-z1 * x2)j+(-w1 * z2-x1 * y2+y1 * x2+z1 * w2)k]
然後，將上述運算結果qdiff.轉換至翻滾角Roll(φ)、俯仰角Pitch(θ)、偏行角Yaw(ψ)三個旋轉角度來表示：qdiff.=(qd0+qd1i+qd2j+qd3k)
其中四項參數的計算結果：qd0=(w1 * w2+x1 * x2+y1 * y2+z1 * z2)
qd1=(-w1 * x2+x1 * w2-y1 * z2+z1 * y2)
qd2=(-w1 * y2+x1 * z2+y1 * w2-z1 * x2)
qd3=(-w1 * z2-x1 * y2+y1 * x2+z1 * w2)
角度轉換結果分別如下：
Figure 107146674-A0101-12-0009-1
θ=sin-1[2(qd0qd2-qd1 qd3)]
Figure 107146674-A0101-12-0009-2
至此，可將一連桿依其另一相鄰連桿為基準，進行調整。
再者，當欲計算連桿端點之相對位置時，必須先得知該連桿指向與該慣性感測單元一特定向量之間的關係(在此以該慣性感測單元Y軸貼其桿件長邊方向)。透過該慣性感測單元計算該連桿姿態資訊q(四元數)，並以該姿態資訊計算連桿的指向向量，例如，該特定軸
Figure 107146674-A0101-12-0010-24
，此以Y軸 為例，
Figure 107146674-A0101-12-0010-7
，在旋轉過後為
Figure 107146674-A0101-12-0010-9
。接著，定義t(．)為將一空間向量拓展為 具四個元素的運算方式，例如，
Figure 107146674-A0101-12-0010-8
q*，其中，四元數乘法如前所述。至此，運算所得為該連桿的指向向量。
最後，如第8圖所示，再從各連桿的相對原點進行向量累加並計算各連桿的端點，例如：端點一 位置=相對原點一+向量一
端點二 位置=相對原點二+向量二
換言之，在第8圖中，相對原點一為向量一的相對原點、端點一為向量二的相對原點，亦即相對原點二；同樣地，端點二為向量三的相對原點，亦即相對原點三。
第9圖所示為第2圖中之經校正的慣性量測單元所對應的指節示意圖。如第9圖所示，經過校正後，手套的各待測連桿上之各慣性感測單元的指節長度以及其端點位置更能反映手套上各慣性感測單元的量測資訊。
然而，上述實施例僅例示性說明本發明之功效，而非用於限制本發明，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。此外，在上述該些實施例中之元件的數量僅為例示性說明，亦非用於限制本發明。因此本發明之權利保護範圍，應如以下之申請專利範圍所列。
301、302、303、304‧‧‧步驟

Claims (6)

  1. 一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法，適用於一種多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統，該系統包含：複數個慣性感測單元，該複數個慣性感測單元係分別設置於一多剛體的不同連桿；其中，每個慣性感測單元更包含一加速規、一磁力計、一陀螺儀、以及一計算及補償單元；該校正方法更包含：依據該計算及補償單元的編號及分佈設計資訊選擇通訊通道、以及初始化各計算及補償單元的設定參數；依據該計算及補償單元的編號及分佈設計資訊選擇通訊通道、以及各計算及補償單元分別將來自該加速規、磁力計、與陀螺儀的量測資訊計算成一物件向量資訊，進行旋轉補償、以及安裝誤差補償後輸出一補償後物件向量資訊；計算各慣性感測單元間夾角與各慣性感測單元端點的位置；輸出該補償後物件向量資訊、該各慣性感測單元間夾角、以及該各慣性感測單元端點的位置等資訊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法，其中，該初始化各計算及補償單元的設定參數步驟更包含：依據連桿連接關係資訊設定待測連桿的相對位置；根據連桿長度資訊設定該待測連桿的長度；設定該計算及補償單元的量測速率、量測範圍、以及解析度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法，其中，在該各計算及補償單元係依據一安裝誤差資訊進行安裝誤差補償步驟中；該安裝誤差資訊係透過一安裝誤差量測程序獲得，該安裝誤差量測程序包含：將該慣性感測單元安裝於一待測連桿之上；將該待測連桿固定於一旋轉平台之上，該平台旋轉軸與待測連桿之特一定方向重合，並紀錄待測連桿的初始姿態；該待測連桿隨著旋轉平台之旋轉軸轉動一特定角度；量測旋轉後該待測連桿之姿態；依據該初始姿態、轉動後姿態、以及轉動角度，計算安裝誤差資訊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法，其中當計算兩相鄰連桿之間的夾角時，包含：先計算兩相鄰連桿的姿態訊息的差異，再轉換至翻滾角(φ)、俯仰角(θ)、偏行角(ψ)等三個旋轉角度。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法，其中該連桿的姿態訊息係以四元數形態表示。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多重慣性感測器整合於多剛體連桿角度量測系統之校正方法，其中當計算各該連桿端點之相對位置時，係依據該連桿之指向與該慣性感測單元一特定向量之間的關係；再透過該慣性感測單元計算該連桿姿態資訊，並以該姿態資訊計算 連桿的指向向量；最後將各該連桿的相對原點進行向量累加以計算各該連桿的端點。
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