面向虚拟现实应用的数据手套研制

摘要

在科技快速发展学科密切交叉的当今，人们对工作与生活品质的追求开始向多元化发展，其中，虚拟现实及其相关的智能穿戴设备作为最新的学科交叉产物，已经成为了国内外研究的焦点并逐渐走入百姓的生活。在众多的智能穿戴设备中，数据手套是进行虚拟现实体验的重要装置，其不仅可以采集和解析人体姿态信息，同时便于提供各类反馈。然而，现有数据手套多存在成本高，解算功能不全面，不具有统一且合适的反馈接口等问题。针对上述问题，本文研制了一种面向虚拟现实的改进型数据手套，并实际检验了该装置的使用效果。
　　论文的主要内容包括:
　　1.方案总述。对数据手套的国内外的使用背景以及课题意义进行了详细的阐述，深入分析目前各类智能穿戴设备的优劣，针对其缺陷与不足，提出本文所设计数据手套及其整体方案。
　　2.结构建模。设计数据手套整体结构，详细介绍本文手套所使用的传感器及其原理。利用惯性导航技术，推导手臂与手掌模型，证明本文所使用方案可行性。
　　3.电路设计。介绍本文所使用的传感器和下位机，对硬件资源及其功能参数进行说明，根据功能需求设计双选开关电路。同时为提高硬件系统的稳定性，进行了相应的电路优化设计。
　　4.软件设计。编写下位机以及上位机程序，其中，下位机程序的主要功能为数据的采集以及姿态角计算，上位机程序则实现了空间坐标计算和动画模型的绘制，上位机和下位机通过串口进行双向通讯，二者协同实现系统的定位与反馈功能。同时使用MFC设计用户界面，以提供详细的数据显示功能。
　　5.系统测试。针对传感器组原始数据存在零飘的问题，为提高姿态定位的稳定性，选择合适的滤波方法，对系统进行滤波，通过实验验证滤波效果，角度精度最终提高到0.2度，同时对磁偏角进行修正，并设计臂长矫正算法，使数据手套的使用过程更为便捷。
　　6.实验联调。设计虚拟球体干涉实验，实验者佩戴手套触摸虚拟球体，通过可视化平台观察手部模型与虚拟球体位置关系，下位机通过数字I/O口对手部关键部位的干涉情况进行电平反馈，检验数据手套系统的工作情况。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 手势识别技术类别

1．2．2 数据手套的国外研究现状

1．2．3 数据手套的国内研究现状

1．3 课题的主要研究内容

第二章 数据手套原理

2．1 方案设计

2．1．1 功能需求

2．1．2 方案分析

2．1．3 数据手套结构

2．2 惯性传感器

2．2．1 惯性导航坐标系

2．2．2 欧拉角融合方法

2．2．3 坐标系变换方法

2．3 数据解析方法

2．3．1 手臂建模

2．3．2 手掌建模

2．3．3 手指建模

2．4 本章小结

第三章 硬件电路设计

3．1 硬件电路总体架构

3．2 惯性传感器

3．2．1 加速度传感器

3．2．2 地磁传感器

3．2．3 传感器组模块

3．3 下位机模块

3．4 双选开关模块

3．5 电路设计

3．5．1 抗干扰设计

3．5．2 散热设计

3．6 本章小结

第四章 软件设计

4．1 软件架构

4．2 下位机程序

4．2．1 双选开关程序

4．2．2 传感器初始化

4．2．3 数据采集解析

4．2．4 数据发送与接收

4．2．5 电平反馈驱动

4．3 上位机程序

4．3．1 串口通讯

4．3．2 数据提取

4．3．3 数据解析

4．3．4 模型动画绘制

4．3．5 干涉序列程序

4．4 本章小结

第五章 系统矫正及测试

5．1 矫正实验

5．1．1 传感器滤波矫正

5．1．2 磁偏角矫正

5．1．3 臂长划线矫正

5．2 系统联调

5．2．1 手套安装制作

5．2．2 下位机联调

5．2．3 上位机联调

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

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