惯性跟踪器的应用研究

• 作 者: 杨杰
• 机 构: 东南大学
• 出 处: 东南大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 惯性跟踪器 三维位置跟踪系统 虚拟现实 微机械陀螺 加速度计 抗干扰

三维位置跟踪系统是虚拟现实系统的关键传感装置之一。它的任务是检测有关对象的位置和朝向（方位），并将其报告给虚拟现实系统。传统的跟踪系统有：机械跟踪系统、电磁跟踪系统、光学跟踪系统、声学跟踪系统等，这些跟踪系统在实际应用中各有一些不足之处而导致对整个虚拟系统产生一定的限制。而且传统的应用于科研领域的高精度跟踪系统的成本一般都很高，不适合于消费电子领域。
近年来，随着微机械学的发展，由惯性跟踪器组成的惯性跟踪系统逐渐成为人们感兴趣的对象。惯性跟踪系统由微机械陀螺和加速度计组成。加速度计用来测量物体的加速度，陀螺用来得到角速度，两者结合就可以推算出位置和方位了。
本课题主要研究对象是惯性跟踪器的两个重要组成部分：微机械三轴加速度计和微机械陀螺。通过对其信号的采集和分析，对其在跟踪领域的部分应用进行尝试，这些应用包括加速度计的倾斜传感，跌落保护，三自由度定位（位移测量），以及陀螺的朝向定位，并测试其精度，抖动，延迟，更新率等性能指标并与传统跟踪系统进行比较。论文关于现有惯性跟踪器的应用研究表明：惯性跟踪系统虽然在更新率，无线化，低延迟，抗干扰等方面有一定优势，但也存在精度小高，抖动影响较大的缺点，不过在追求高性价比的消费电子领域，惯性跟踪器同样具有广阔的应用前景。
本课题中另一个重要部分就是依靠单纯的三轴加速度计在游戏中手部动作识别，我们可将其归纳为一种广义的手部位置跟踪。课题中采用基于文本分类器BoosTexter的方案进行动作识别，最终达到了基本可以实用的识别准确率，增强了游戏的趣味性。当然同样也尝试了在有双轴陀螺提供角速度信息情况下的上/下/左/右挥动动作识别，达到了更高的识别准确率。
最后在上述研究基础上，建立了一套以惯性跟踪为主要特征的桌面虚拟现实系统，利用微机械三轴加速度计和陀螺提供的信号得出三姿态角数据控制场景摄像机视角方向，然后实时更新三维场景。对惯性器件在跟踪系统中应用的可行性进行了总结，得出了惯性跟踪器在消费电子领域具有广阔应用前景的结论，并提出了展望。