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一种微惯性跟踪器的设计及其在增强现实中的应用

作　者: 马玉可
导　师: 康波
学　校: 电子科技大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 惯性跟踪 姿态更新 MEMS 卡尔曼滤波 增强现实
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


增强现实是在虚拟现实的基础上发展起来的,与虚拟现实的完全沉浸感不同,增强现实致力于将计算机生成的虚拟信息叠加到用户周围的真实场景中,力求让用户沉浸于虚实结合的场景中。跟踪技术是增强现实的关键技术之一,增强现实要求跟踪设备实时检测用户在真实场景中的位置和视线方向,根据测量的数据实现世界空间坐标系到观察空间坐标系的转换。本文在综合研究分析各种跟踪技术(包括声学跟踪、超声波跟踪、光学跟踪、磁场跟踪、惯性跟踪)的基础上,针对目前的视觉跟踪技术,设计了一款惯性跟踪器,该跟踪器包括加速计和陀螺仪两种传感器,能测量空间6自由度的信息。本文设计的惯性跟踪器在朝着集成度高、体积小的方向发展。陀螺仪和加速计是惯性导航姿态测量系统的主要传感器,它们的精度影响着整个系统的精度和性能,由于陀螺仪存在常值漂移,因此在系统运行中必须要周期性的对其进行误差补偿与校正,保证精确的测量结果。本文采用卡尔曼滤波进行多传感器的数据融合,利用加速计能测量倾角的原理对陀螺仪测量的角度进行补偿,二者融合之后算出姿态角,从而确定方向信息。在本文中使用MATLAB工具进行仿真实验,并由此绘制姿态曲线。在本文的最后,将该惯性跟踪器应用到增强现实和虚拟现实中,利用该惯性装置控制虚拟的物体运动。通过实验结果分析,本文设计的惯性跟踪器在实际应用中具有一定的可行性,其性能尚需进一步改进,在其硬件和软件方面都有值得改进和完善的地方。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-16
  1.1 引言  9-10
  1.2 研究背景与问题的提出  10-14
    1.2.1 国内外研究现状  10-11
    1.2.2 几种跟踪方法  11-13
    1.2.3 视觉跟踪配准  13
    1.2.4 惯性跟踪器的优点  13-14
  1.3 本文的主要研究内容与论文结构  14-16
第二章 微惯性跟踪器硬件设计  16-30
  2.1 系统总体设计  16-18
    2.1.1 系统设计思想  16-17
    2.1.2 设计的关键问题分析  17-18
  2.2 惯性测量单元设计  18-23
    2.2.1 加速计模块设计  19-21
    2.2.2 陀螺仪模块设计  21-23
      2.2.2.1 电路设计  21-22
      2.2.2.2 电路分析  22-23
  2.3 采集电路板设计  23-28
    2.3.1 微控制器电路设计  24-27
      2.3.1.1 晶振电路设计  25
      2.3.1.2 复位电路  25-26
      2.3.1.3 仿真与下载电路  26
      2.3.1.4 串口通信电路  26-27
    2.3.2 电源模块设计  27-28
  2.4 液晶模块设计  28-29
  2.5 印制电路板设计  29
  2.6 本章小结  29-30
第三章 惯性跟踪器软件设计  30-37
  3.1 单片机开发环境  30
  3.2 软件设计总体方案  30-31
  3.3 软件子模块设计  31-35
    3.3.1 模数转换子程序  31-34
    3.3.2 液晶显示子程序  34
    3.3.3 串行通信子程序  34-35
  3.4 上位机显示软件  35-36
  3.5 本章小结  36-37
第四章 惯性跟踪器功能模块的调试  37-49
  4.1 控制电路板的调试  37-39
  4.2 加速计调试  39-43
    4.2.1 加速计可靠性测试  39-42
    4.2.2 用加速计检测倾角  42-43
  4.3 陀螺仪调试  43-48
    4.3.1 陀螺仪输出调试  43-45
    4.3.2 陀螺仪调试  45-48
  4.4 本章小结  48-49
第五章 惯性跟踪器在姿态角测量中的应用  49-68
  5.1 离散卡尔曼滤波器  50-51
  5.2 姿态角的表示方法  51-55
    5.2.1 欧拉角  52-53
    5.2.2 四元数  53-54
    5.2.3 方向余弦矩阵  54-55
  5.3 系统模型和滤波器设计  55-62
    5.3.1 状态与测量向量  55-57
    5.3.2 姿态角计算  57-60
    5.3.3 误差分析  60-62
  5.4 实验应用  62-66
    5.4.1 实验的硬件环境  62-63
    5.4.2 实验的软件环境  63
    5.4.3 虚拟现实中的应用  63-65
    5.4.4 增强现实中的应用  65-66
  5.5 实验结果分析  66-67
  5.6 本章小结  67-68
第六章 总结与展望  68-71
  6.1 总结  68-69
  6.2 展望  69-71
致谢  71-72
参考文献  72-74
作者攻硕期间取得的成绩  74-75

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 计算机仿真
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