三维空间手写轨迹检测系统的研究与设计

2022-10-15

三维空中轨迹检测目前处于萌芽时期, 总的来说, 实现三维空间估计识别技术有两种。其一是将三维空中书写的轨迹通过摄像头获得, 继而通过特定算法的定位技术[1], 获取三维的运动轨迹并将其展示出来。这样的实现方式亦存在明显的缺点。首先摄像头获得三维空间运动轨迹时, 无法在光线暗的环境下和拍摄区域外工作, 所以对亮度和拍摄范围要求较高;其次轨迹识别要求摄像头的准确度较高, 这一点, 也是阻碍三维空间手写轨迹识别技术发展的原因之一。其二是使用惯性传感器采集三维空间手写运动的加速度数据, 将这些数据进行分析并提取相对应的特征量, 最后根据模式识别技术将数据进行分类。惯性传感器主要由磁力传感器、陀螺仪和加速度传感器三部分组成。在最开始使用的惯性传感器都是机械式的成本价格高, 所以多用于国家的导航系统中, 不适合普通的三维空间识别技术。随着电子机械系统 (Micro-Electric-Mechanical System, MEMS) [3]的飞跃式发展, 手写轨迹检测技术得到了改善与优化。微电子传感器便是突出的一种, 体积小, 精度高, 而且价格便宜。所以微电子传感器应用比较广泛, 并发挥了重要作用, 并不局限于军事、交通运营等产业, 也在消费类电子产品中应用频繁。

一、系统设计与实现

本文主要利用数据采集模块采集空中手写过程的角速度数据和加速度数据, 先通过角速度计算得到矩阵, 然后对加速度数据预处理, 利用算法对加速度进行补偿, 最后利用显示装置显示三维空间手写的运动轨迹。该系统主要有两部分组成:上位机处理装置、检测装置。上位机装置主要负责如卡尔曼滤波、加速度补偿和积分、误差分析及处理等的模块功能实现, 检测装置主要是对运动的加速度和角速度的测量, 将测量结果通过串口传给上位机, 经过上位机的处理后, 经MATLAB显示运动轨迹。系统总体结构如图1所示。

本文采用陀螺仪检测运动角速度信号, 加速度传感器采集加速度数据信号。当发生运动时, 三维坐标轴与地理直角坐标系形成夹角, 陀螺仪便会动态采集运动中的角速度, 运动过程中坐标随时发生偏转, 继而将三个轴的坐标转换为绝对静止的地理坐标系, 这样使得到的运动轨迹更加精确。

系统模块组成有位移计算和数据采集。获得运动过程中的加速度信息是空中手写轨迹检测系统的首要任务, 接着将得到的加速度数据进行两次积分, 便会得到运动的位移信息。本文主要工作是利用上位机处理装置, 通过MATLAB显示出运动轨迹。

二、检测装置

检测装置主要使用MPU6050六轴传感器, 该传感器由陀螺仪和加速度传感器组成, 其采集数据精度较高。通过USB转TTL串口将MPU6050采集的加速度和角速度数据传送给上位机, 如图2所示。将传送的加速度数据和角速度数据分别保存为TXT格式文本, 即是检测运动轨迹的变化过程。

在检测过程中, 传感器会将所采集到的数据实时上传到上位机, 并且在检测过程中除非人工中断数据采集操作, 否则不间断的进行数据采集。将采集到的数据交给计算功能强大的计算机来处理, 缩短运算时间。

三、结论

本文根据数据积分的原理, 将控制器MPU6050采集到的加速度数据和角速度数据进行误差消除、滤波、坐标转换、加速度补偿及二重积分运算, 从而得到运动位移点, 将这些位移点连接起来;便是运动轨迹。

摘要：现在, 虚拟现实的人机交互领域在三维空间的轨迹跟踪系统中应用较多, 其中包括激光追中系统、基于三维计算机是觉得追踪系统和磁追踪系统。该系统的优点是精度比较高, 但存在体积大、不易携带和成本高的缺点, 因此不适合研究三维空中手写轨迹检测。本文研究的是一种基于MEMS加速度传感器系统, 主要检测空中的运动轨迹, 而且系统便于体积小、携带, 成本少等优点。

关键词：加速度传感器,手写,轨迹检测