專(zhuān)利名稱(chēng)：一種真實(shí)空間中的地理虛擬仿真三維鼠標(biāo)筆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于GPS技術(shù)、GIS技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于GPS和GIS技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)的真實(shí)空間中的地理虛擬仿真人機(jī)交互方法，實(shí)現(xiàn)用戶與真實(shí)空間中地理虛擬仿真系統(tǒng)之間人機(jī)交互的裝置。
背景技術(shù)：
三維地形建模及其可視化研究是當(dāng)前地學(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域最富有活力的方向之一，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)地理虛擬仿真技術(shù)的研究已十分廣泛，其中，操作系統(tǒng)的人機(jī)交互功能是真實(shí)空間中地理虛擬仿真系統(tǒng)很重要的一個(gè)部分，也是決定地理虛擬仿真系統(tǒng)操作性的一個(gè)重要因素，特別是近年來(lái)真實(shí)空間三維可視化技術(shù)的發(fā)展，使用戶能夠身臨其境地融入到地理虛擬仿真系統(tǒng)中，增加了用戶的沉浸感；然而現(xiàn)有的大多數(shù)三維可視化系統(tǒng)主要采用鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、各種模式識(shí)別設(shè)備等傳統(tǒng)的交互方式，操作繁瑣且不直觀，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)地理虛擬仿真場(chǎng)景在真實(shí)空間中的再現(xiàn)操作；例如，當(dāng)所處理的對(duì)象是傳統(tǒng)的二維模型時(shí)，交互裝置(鼠標(biāo))光標(biāo)的二維運(yùn)動(dòng)可以一一映射到二維模型上，從而方便地實(shí)現(xiàn)幾乎所有需要的操作；然而，當(dāng)在真實(shí)空間的地理虛擬仿真系統(tǒng)中，交互時(shí)所關(guān)注的對(duì)象變成了三維地理模型，由于計(jì)算機(jī)屏幕上的像點(diǎn)(x,y)與真實(shí)空間的三維坐標(biāo)(x,y,z)不具備唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就使得交互的操作難度大大增加，傳統(tǒng)的交互方式已不能滿足地理虛擬仿真場(chǎng)景在真實(shí)空間中的再現(xiàn)操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，結(jié)合空間定位技術(shù)、按鍵操控技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)，提供一種真實(shí)空間中的地理虛擬仿真人機(jī)交互裝置——三維鼠標(biāo)筆。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種真實(shí)空間中的地理虛擬仿真人機(jī)交互裝置——三維鼠標(biāo)筆，由筆尖部分、筆桿部分、裝置部分和棱鏡體組成；筆尖部分由一個(gè)與控制按鍵相連的LED燈筆尖構(gòu)成；筆桿部分設(shè)有控制單元、與控制單元相連的電源模塊和控制按鍵；靠近末端的裝置部分設(shè)有傾斜傳感器、無(wú)線收發(fā)裝置；最末端是一個(gè)棱鏡體，其人機(jī)交互方法是用戶通過(guò)視覺(jué)、命令按鈕交互通道與真實(shí)空間的地理虛擬系統(tǒng)進(jìn)行交流，達(dá)到人機(jī)交互的目的。所述裝置部分的傾斜傳感器采用捷聯(lián)式傾斜傳感器，它由三軸振動(dòng)陀螺、三軸伺服加速度計(jì)、磁方位傳感器及主機(jī)端組成，內(nèi)部設(shè)有定向程序和傾斜測(cè)角程序；傾斜傳感器以陀螺、加速度計(jì)、方位傳感器的輸出信號(hào)為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速運(yùn)算，能實(shí)時(shí)輸出地球坐標(biāo)系的方位角、滾動(dòng)角、俯仰角和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系x、y、z各軸的加速度和角速度信號(hào)；傾斜傳感器與LED燈筆尖相連接，形成一個(gè)整體。所述無(wú)線收發(fā)裝置采用無(wú)線電技術(shù)，它與控制單元、傾斜傳感器相連接，起到收發(fā)命令信號(hào)、傳輸數(shù)據(jù)的作用；最末端的棱鏡體是由八個(gè)大小相同的正三角形棱鏡組成的正八面體，每個(gè)三角形棱鏡的邊長(zhǎng)為5毫米，筆尖至棱鏡中心長(zhǎng)度為0. 2米。
人機(jī)交互裝置的交互方法，包括以下步驟
(I)在房間內(nèi)建立真實(shí)空間的地理虛擬仿真系統(tǒng)，用戶在系統(tǒng)中觀察投影影像，移動(dòng)三維鼠標(biāo)筆，選取所需空間點(diǎn)。(2)用戶使筆尖靜止在步驟(I)選取的空間點(diǎn)處，點(diǎn)擊控制按鍵發(fā)出定位命令，筆尖LED燈閃 爍作為反饋信號(hào)，同時(shí)控制單元將定位命令通過(guò)無(wú)線收發(fā)裝置傳輸給主機(jī)端設(shè)備。(3)在真實(shí)空間中建立空間右手直角坐標(biāo)系，主機(jī)端設(shè)備的定位裝置接收到步驟
(2)的定位命令對(duì)棱鏡體進(jìn)行定位；通過(guò)全站儀測(cè)角測(cè)距原理獲得棱鏡體所在空間點(diǎn)到主機(jī)端定位裝置鏡頭的距離及方位角、垂直角，利用三角函數(shù)可計(jì)算出棱鏡體所在空間點(diǎn)的
三維坐標(biāo)( . . )。(4)裝置部分的捷聯(lián)式傾斜傳感器記錄此刻筆桿的俯仰角(仰角為正，俯角為負(fù))和方位角，并通過(guò)無(wú)線收發(fā)裝置將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街鳈C(jī)端設(shè)備。捷聯(lián)式傾斜傳感器工作原理如圖3所示，三個(gè)陀螺的輸出信號(hào)通過(guò)偏置修正器輸A CTM坐標(biāo)變換矩陣運(yùn)算部，它將運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系變換成地球坐標(biāo)系；三個(gè)加速度計(jì)的輸出信號(hào)和CTM信號(hào)輸入水平分量運(yùn)算部計(jì)算出重力加速度的水平分量；在CTM中一出現(xiàn)誤差，便通過(guò)水平修正力矩運(yùn)算部反饋回信號(hào)，使CTM的誤差變成零(水平修正環(huán))；同時(shí)，CTM坐標(biāo)變換矩陣運(yùn)算部?jī)?nèi)的方位角信號(hào)和磁方位傳感器的輸出信號(hào)在方位約束力矩運(yùn)算部中進(jìn)行比較運(yùn)算，再反饋到CTM坐標(biāo)變換矩陣運(yùn)算部中使兩者的差值為零(方位約束環(huán))；另夕卜，陀螺一出現(xiàn)漂移，水平分量運(yùn)算部和方位約束力矩運(yùn)算部的輸出便不為零，將這個(gè)輸出和CTM信號(hào)一起輸入到陀螺偏置運(yùn)算部，算得的偏置修正信號(hào)輸入各陀螺的偏置修正器，把陀螺漂移修正為零，這樣便消除了陀螺的時(shí)間漂移。(5)主機(jī)端設(shè)備通過(guò)房間長(zhǎng)軸線的方位角、筆桿的俯仰角度、方位角和筆尖至棱鏡體中心間的長(zhǎng)度，計(jì)算出三維鼠標(biāo)筆筆尖處空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。計(jì)算原理如下假設(shè)房間長(zhǎng)軸線的方位角為Y，筆尖與棱鏡體中心長(zhǎng)度為山筆桿
俯仰角為a、方位角為P，筆尖與棱鏡體間長(zhǎng)度d，為坐標(biāo)改正參數(shù)，計(jì)算方法為(如圖4所示)
權(quán)利要求
1.一種真實(shí)空間中的地理虛擬仿真三維鼠標(biāo)筆，由筆尖部分、筆桿部分(8)、裝置部分和棱鏡體(6)組成，其特征在于筆尖部分由一個(gè)與控制按鍵(3)相連的LED燈筆尖(I)構(gòu)成；筆桿部分(8)設(shè)有控制単元(2)、與控制單元(2)相連的電源模塊(7)和控制按鍵(3);靠近末端的裝置部分設(shè)有傾斜傳感器(4)和無(wú)線收發(fā)裝置(5);最末端是ー個(gè)棱鏡體(6)，其人機(jī)交互方法是用戶通過(guò)視覺(jué)、命令按鈕交互通道與真實(shí)空間的地理虛擬系統(tǒng)進(jìn)行交流，達(dá)到人機(jī)交互的目的；所述裝置部分的傾斜傳感器(4)采用捷聯(lián)式傾斜傳感器，它由三軸振動(dòng)陀螺、三軸伺服加速度計(jì)、磁方位傳感器及主機(jī)端組成，內(nèi)部設(shè)有定向程序和傾斜測(cè)角程序；傾斜傳感器(4)以陀螺、加速度計(jì)、方位傳感器的輸出信號(hào)為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速運(yùn)算，能實(shí)時(shí)輸出地球坐標(biāo)系的方位角、滾動(dòng)角、俯仰角和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系X、y、z各軸的加速度和角速度信號(hào)；傾斜傳感器(4)與LED燈筆尖(I)相連接，形成一個(gè)整體； 所述無(wú)線收發(fā)裝置(5)采用無(wú)線電技術(shù)，它與控制單元(2)、傾斜傳感器(4)相連接，起到收發(fā)命令信號(hào)、傳輸數(shù)據(jù)的作用；最末端的棱鏡體(6)是由八個(gè)大小相同的正三角形棱鏡組成的正八面體，每個(gè)三角形棱鏡的邊長(zhǎng)為5毫米，LED燈筆尖(I)至棱鏡體出)中心長(zhǎng)度為0.2米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維鼠標(biāo)筆，其特征在于其使用方法包括以下步驟 (1)在房間內(nèi)建立真實(shí)空間的地理虛擬仿真系統(tǒng)，用戶在系統(tǒng)中觀察投影影像，移動(dòng)三維鼠標(biāo)筆，選取所需空間點(diǎn)； (2)用戶使LED燈筆尖⑴靜止在步驟⑴所選取的空間點(diǎn)處，點(diǎn)擊控制按鍵(3)發(fā)出定位命令，LED燈筆尖(I)的LED燈閃爍作為反饋信號(hào)，同時(shí)控制単元(2)將定位命令通過(guò)無(wú)線收發(fā)裝置(5)傳輸給主機(jī)端設(shè)備(c)； (3)在真實(shí)空間中建立空間右手直角坐標(biāo)系，主機(jī)端設(shè)備(c)的定位裝置接收到步驟⑵的定位命令對(duì)棱鏡體(6)進(jìn)行定位；通過(guò)全站儀測(cè)角測(cè)距原理獲得棱鏡體(6)所在空間點(diǎn)到主機(jī)端設(shè)備(c)的定位裝置鏡頭的距離及方位角、垂直角，利用三角函數(shù)可計(jì)算出棱鏡體(6)所在空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)“，凡ノ0)； (4)裝置部分的捷聯(lián)式傾斜傳感器記錄此刻筆桿的俯仰角和方位角，其中仰角為正，俯角為負(fù)，并通過(guò)無(wú)線收發(fā)裝置(5)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街鳈C(jī)端設(shè)備(c)； 捷聯(lián)式傾斜傳感器(4)工作原理如下三個(gè)陀螺的輸出信號(hào)通過(guò)偏置修正器輸入CTM坐標(biāo)變換矩陣運(yùn)算部，它將運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系變換成地球坐標(biāo)系；三個(gè)加速度計(jì)的輸出信號(hào)和CTM信號(hào)輸入水平分量運(yùn)算部計(jì)算出重力加速度的水平分量；在CTM中一出現(xiàn)誤差，便通過(guò)水平修正力矩運(yùn)算部反饋回信號(hào)，使CTM的誤差變成零，即水平修正環(huán)；同吋，CTM坐標(biāo)變換矩陣運(yùn)算部?jī)?nèi)的方位角信號(hào)和磁方位傳感器的輸出信號(hào)在方位約束カ矩運(yùn)算部中進(jìn)行比較運(yùn)算，再反饋到CTM坐標(biāo)變換矩陣運(yùn)算部中使兩者的差值為零，即方位約束環(huán)；另外，陀螺ー出現(xiàn)漂移，水平分量運(yùn)算部和方位約束カ矩運(yùn)算部的輸出便不為零，將這個(gè)輸出和CTM信號(hào)一起輸入到陀螺偏置運(yùn)算部，算得的偏置修正信號(hào)輸入各陀螺的偏置修正器，把陀螺漂移修正為零，這樣便消除了陀螺的時(shí)間漂移； (5)主機(jī)端設(shè)備(c)通過(guò)房間長(zhǎng)軸線的方位角、筆桿部分(8)的俯仰角度、方位角和筆尖至棱鏡體(6)中心間的長(zhǎng)度，計(jì)算出三維鼠標(biāo)筆筆尖處空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，計(jì)算原理如下 假設(shè)房間長(zhǎng)軸線的方位角為Y，筆尖與棱鏡體中心長(zhǎng)度為d，筆桿俯仰角為a、方位角為3，筆尖與棱鏡體間長(zhǎng)度d，(Ai;Ajr^)為坐標(biāo)改正參數(shù)，計(jì)算方法為
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了真實(shí)空間中的地理虛擬仿真三維鼠標(biāo)筆。由筆尖部分、筆桿部分、裝置部分和棱鏡體組成。筆尖部分由一個(gè)與控制按鍵相連的LED燈筆尖構(gòu)成；筆桿部分設(shè)有控制單元、與控制單元相連的電源模塊和控制按鍵；靠近末端的裝置部分設(shè)有傾斜傳感器、無(wú)線收發(fā)裝置；最末端是一個(gè)棱鏡體，其人機(jī)交互方法是用戶通過(guò)視覺(jué)、命令按鈕交互通道與真實(shí)空間的地理虛擬系統(tǒng)進(jìn)行交流，達(dá)到人機(jī)交互的目的。本發(fā)明將三維鼠標(biāo)筆用于真實(shí)空間的地理虛擬仿真系統(tǒng)中，使用戶以更加真實(shí)、更加直觀、更加有效的方式與地理虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，大大增強(qiáng)了互動(dòng)性和沉浸感，為用戶提供一種在真實(shí)空間中更通用、更直接操作地理虛擬環(huán)境場(chǎng)景的人機(jī)交互方式。
文檔編號(hào)G06F3/0346GK103034345SQ20121055430
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者李景文, 張?jiān)? 唐詩(shī)華, 陸妍玲 申請(qǐng)人:桂林理工大學(xué)