一種數據手套接口模塊的設計方法與流程

【技術領域】

本發明涉及一種數據手套接口模塊的設計方法。

背景技術：

近年來，隨著科學技術的不斷發展，人們對于先進技術服務于生活越來越重視。虛擬現實技術是實現此要求的很好的一個途徑。虛擬現實技術是利用計算機建立一個逼真的虛擬世界，用戶可以在其中通過聽、視、觸、嗅等感官獲取對周圍環境的感知，有身臨其境的感覺。虛擬現實技術在軍事、教育、娛樂、科研等多方面都有很廣泛的應用。在虛擬現實技術里面，數據手套是很重要的交互工具，讓用戶可以更加自然和真實的與虛擬環境交互。它可以捕捉到人手的動作和姿態信息。數據手套的外觀和普通手套的外觀類似，但是其材質上與普通手套不同，其中裝有捕捉姿態信息的傳感器，通過計算機接口把數據傳輸到計算機內，完成虛擬手的動作和姿態的實時更新。以便更加直觀和真實的進行虛擬現實操作。

數據手套的關鍵在于手掌、手指以及手腕的各個有效部位的彎曲、外展等測量以及此基礎上的外演。國內外許多單位和公司在數據手套的研究開發方面做了大量的工作，并推出不同類型的數據手套，下面對這些做一些介紹：

1)dataglove是vpl公司于20世紀90年代推出的最早的數據手套，該手套結構緊湊，佩戴舒適，輕便易用，采用桌面控制模塊，可以同時支持系四副手套；但是容易受到用戶手大小的影響。被設計試用于vr的醫學應用、可以作為醫學應用的輸入設備。

2)virtualtechnologies公司于1991年推出了cyberglove數據手套，該手套重量較輕，舒適結構完整，使用權電阻技術來發送實時角度數據，cyberglovetouch系統提供了震動觸覺技術。

3)解放軍理工大學在2002年成功研制出一款數據手套，針對關節的彎曲和外展研究了光學行程傳感器和光纖彎曲傳感器，具有精度高，體積小等特點，且使用opengl的雙緩沖技術回執三維圖像。在使用過程中因用戶的差異要對手套進行校正。

4)北京視景科技開發的wiseglove數據手套常用于測量人手指動作，廣泛應用于人手的運動捕捉，游戲動畫制作以及醫學評估等領域。

simulink是matlab中最重要的組件之一，它可以提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制以及數字信號處理的建模和仿真中。利用matlab虛擬現實工具箱(virtualrealitytoolbox)可以在三維虛擬現實環境中進行可視化操作和動態系統交互，使用標準的vrml技術，可以進行matlab和simulink的交互，動態系統可以通過虛擬現實工具箱將simulink模型隨時間的變化以視景和圖形化方式進行交互，這對模型對象能有很好的理解，很方便的進行虛擬操作的模擬。在simulink中建立系統的結構圖，選擇合適的虛擬現實環境連接到simulink結構圖中，虛擬現實模塊就會為有效的vrml節點掃描出能夠由simulink驅動的虛擬世界。

目前，針對simulink虛擬現實技術的數據手套開發比較少，使得在其下的虛擬現實實現缺少了很大的操作性。無法真是的實現人機交互，增強沉浸感，實現更加逼真的虛擬現實。

技術實現要素：

本發明的目的是針對數據手套在simulink下應用匱乏的情況，提供了一種simulink下的數據手套接口模塊的設計方法，實現了數據手套在simulink下的使用，為simulink虛擬現實操作技術打下基礎。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種數據手套接口模塊的設計方法，包括以下步驟：

1)進行數據手套歸一化處理，標定手套的最大值和最小值；定義一個最大值為a和一個最小值為b，數據手套的數值為c，c在a和b之間滿足如下關系：

通過線性算法對數據手套的彎曲角度進行計算，加入手套某個手指的活動角度是e，其彎曲角度為：

e*(c-b)/(a-b)(2)

然后用滑動均值法對數據手套的數據進行標定，滑動均值法取連續n個數據手套數據作為平均值然后設定為當前的值，表示如下：

s＝(s1+s2+…+sn)÷n(3)

其中，s是當前傳感器的值，n是其個數且為整數；

2)掃描各個串口判斷手套是否連接，讀取數據手套的型號，然后新建一個數據手套數據結構，利用手動標定對數據手套進行標定；同時利用上述的方法對數據手套數據進行標定，以得到正確的傳感器數據；與此同時對采樣時間以及輸入輸出接口進行設計；完成s函數編寫工作；

3)驅動s函數使其在simulink下運行并且讀取數據手套的數據；把s函數編譯為一個能夠調用的動態鏈接庫，使用此動態鏈接庫就能夠進行s函數的使用；

4)搭建調用s函數的模塊并進行封裝，把輸入直接設置在界面上；搭建結構框圖，運行次模塊，開始收集讀取到的數據，然后通過數據手套的數值得到手勢姿態；

5)在虛擬實現操作平臺上搭建手模型、定義父子關節，然后把數據傳到對應的各個關節上，實現手的驅動，完成虛擬現實操作。

本發明進一步的改進在于：

步驟2)中，手動標定是確定初始時刻的手的姿態。

步驟4)中，輸入是采樣時間和數據手套的串口號。

步驟5)中，虛擬實現操作平臺包括simulink虛擬現實工具箱、unity3d或osg。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

本發明基于simulink對數據手套接口進行了設計，通過歸一化算法和滑動均值法對數據進行了處理。使得數據穩定且有效。然后通過編寫串口函數把數據手套與simulink結合，使其可以有效交互，增加了simulink下的虛擬現實技術的可操作性。

【附圖說明】

圖1為是基于simulink接口設計流程圖；

圖2為s-function運行模式流程圖；

圖3為大拇指數據手套數據；

圖4為食指數據手套數據；

圖5為中指數據手套數據；

圖6為無名指數據手套數據；

圖7為小拇指數據手套數據。

【具體實施方式】

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明：

如圖1-2所示，simulink中s函數主要是采用回調函數的形式來實現各種功能。其設計的模塊可以重復使用，大大增加了效率。

本發明針對simulink的特點，利用數據手套的接口方法，提供了一種基于simulink的數據手套接口模塊的設計方法，包括以下步驟：

第一步是歸一化數據手套值。對數據手套最大值和最小值進行標定，保證數據手套的活動在某一個范圍內。同時由于在實際的測試中數據手套的數據可能會有抖動，因此需要對數據手套數據進行濾波，使用滑動均值法對其進行濾波，保證數據的準確和穩定。具體方法如下：

進行數據手套歸一化處理，標定手套的最大值和最小值。定義一個最大值a和一個最小值b，數據手套的數值是c，那么要滿足c在a和b之間，如下：

以上就可以保證數據手套的值在規定的手勢范圍內，即在a和b之間，通過線性算法可以對數據手套的彎曲角度進行計算，加入手套某個手指的活動角度是e，那么其彎曲角度為：

e*(c-b)/(a-b)(2)

然后用滑動均值法對數據手套的數據進行標定，滑動均值法取連續n個數據手套數據作為平均值然后設定為當前的值，表示如下：

s＝(s1+s2+…sn)÷n(3)

其中s是當前傳感器的值，si是連續的相鄰傳感器的值。n是其個數。

第二步編寫s函數，獲取數據手套的端口并打開數據手套，使用先前的標定方法對數據手套進行標定。設定傳感器數據結構讀取傳感器的值。同時把數據手套的數據進行輸出，確定手勢。具體方法如下：

首先，掃描各個串口判斷手套是否連接，讀取數據手套的型號，然后新建一個數據手套數據結構，利用手動標定對數據手套進行標定，這里的手動標定主要是確定初始時刻的手的姿態，這樣才可以定義具體的手勢。同時利用上述的方法對數據手套數據進行標定，以得到正確的傳感器數據。與此同時根據自身需要可以對采樣時間以及輸入輸出接口進行設計。這樣就初步完成了s函數編寫工作。

第三步主要是對編寫好的s函數進行編譯，生成simulink可以使用的動態鏈接文件，然后將編譯好的動態鏈接文件導入到我們預先建立的s函數模塊中，使其成為一個可以使用的模塊。具體方法如下：

有了s函數，則可以不斷的調用其中的回調函數來進行數據的讀取。下面就是驅動s函數使其可以在simulink下運行并且讀取數據手套的數據。把s函數編譯為一個可調用的動態鏈接庫，使用此動態鏈接庫就可以進行s函數的使用。

第四步是對s函數模塊進行封裝并且搭建框圖，滿足數據手套在simulink下的使用，通過數據手套的數據可以正確的定義手勢，然后用于虛擬現實操作。具體方法如下：

對所搭建的模塊進行封裝，把輸入直接設置在界面上，這里面的輸入時采樣時間和數據手套的串口號。有了輸入，搭建結構框圖，運行次模塊，就可以開始收集讀取到的數據，然后就可以通過數據手套的數值知道手勢姿態。

第五步是將其運用到一些常見的虛擬現實操作平臺的一些方法，使其可以和虛擬現實技術結合，提高虛擬現實的交互性。具體方法如下：

數據手套可以用于很多虛擬現實操作平臺，例如simulink虛擬現實工具箱、unity3d以及osg(opensourcegraph)等等。在這些平臺上基本流程都是先搭建手模型，定義父子關節，然后把數據傳到對應的各個關節上，實現手的驅動，以此來完成虛擬現實操作。

實施例：

本發明具有實用性和可實施性，已經通過仿真驗證。圖3到圖7是進行了仿真實例的驗證，連接數據手套，然后設計的模塊選擇手套連接的串口號，驅動程序運行，通過對手勢的初始標定(這里定義的是手掌伸開時的姿態為初始姿態)，然后就可以進行手勢姿態角的讀取，這里，圖3到圖7分別是大拇指、食指、中指、無名指和小拇指在手掌抓緊伸開過程的姿態角信息。其中橫坐標是時間，縱坐標是以初始姿態為參考的角度。

以上內容僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明權利要求書的保護范圍之內。