專利名稱：一種真實空間中的地理虛擬仿真三維鼠標筆的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于GPS技術、GIS技術和無線通信技術領域，特別涉及一種基于GPS和GIS技術、無線通信技術的真實空間中的地理虛擬仿真人機交互方法，實現(xiàn)用戶與真實空間中地理虛擬仿真系統(tǒng)之間人機交互的裝置。
背景技術：
三維地形建模及其可視化研究是當前地學信息技術領域最富有活力的方向之一，近年來國內外對地理虛擬仿真技術的研究已十分廣泛，其中，操作系統(tǒng)的人機交互功能是真實空間中地理虛擬仿真系統(tǒng)很重要的一個部分，也是決定地理虛擬仿真系統(tǒng)操作性的一個重要因素，特別是近年來真實空間三維可視化技術的發(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、鼠標、各種模式識別設備等傳統(tǒng)的交互方式，操作繁瑣且不直觀，且無法實現(xiàn)地理虛擬仿真場景在真實空間中的再現(xiàn)操作；例如，當所處理的對象是傳統(tǒng)的二維模型時，交互裝置(鼠標)光標的二維運動可以一一映射到二維模型上，從而方便地實現(xiàn)幾乎所有需要的操作；然而，當在真實空間的地理虛擬仿真系統(tǒng)中，交互時所關注的對象變成了三維地理模型，由于計算機屏幕上的像點(x,y)與真實空間的三維坐標(x,y,z)不具備唯一對應關系，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景在真實空間中的再現(xiàn)操作。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的缺陷和不足，結合空間定位技術、按鍵操控技術、無線通信技術，提供一種真實空間中的地理虛擬仿真人機交互裝置——三維鼠標筆。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種真實空間中的地理虛擬仿真人機交互裝置——三維鼠標筆，由筆尖部分、筆桿部分、裝置部分和棱鏡體組成；筆尖部分由一個與控制按鍵相連的LED燈筆尖構成；筆桿部分設有控制單元、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有傾斜傳感器、無線收發(fā)裝置；最末端是一個棱鏡體，其人機交互方法是用戶通過視覺、命令按鈕交互通道與真實空間的地理虛擬系統(tǒng)進行交流，達到人機交互的目的。所述裝置部分的傾斜傳感器采用捷聯(lián)式傾斜傳感器，它由三軸振動陀螺、三軸伺服加速度計、磁方位傳感器及主機端組成，內部設有定向程序和傾斜測角程序；傾斜傳感器以陀螺、加速度計、方位傳感器的輸出信號為基礎，利用計算機進行快速運算，能實時輸出地球坐標系的方位角、滾動角、俯仰角和運動坐標系x、y、z各軸的加速度和角速度信號；傾斜傳感器與LED燈筆尖相連接，形成一個整體。所述無線收發(fā)裝置采用無線電技術，它與控制單元、傾斜傳感器相連接，起到收發(fā)命令信號、傳輸數(shù)據(jù)的作用；最末端的棱鏡體是由八個大小相同的正三角形棱鏡組成的正八面體，每個三角形棱鏡的邊長為5毫米，筆尖至棱鏡中心長度為0. 2米。
人機交互裝置的交互方法，包括以下步驟
(I)在房間內建立真實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，移動三維鼠標筆，選取所需空間點。(2)用戶使筆尖靜止在步驟(I)選取的空間點處，點擊控制按鍵發(fā)出定位命令，筆尖LED燈閃 爍作為反饋信號，同時控制單元將定位命令通過無線收發(fā)裝置傳輸給主機端設備。(3)在真實空間中建立空間右手直角坐標系，主機端設備的定位裝置接收到步驟
(2)的定位命令對棱鏡體進行定位；通過全站儀測角測距原理獲得棱鏡體所在空間點到主機端定位裝置鏡頭的距離及方位角、垂直角，利用三角函數(shù)可計算出棱鏡體所在空間點的
三維坐標( . . )。(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)和方位角，并通過無線收發(fā)裝置將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街鳈C端設備。捷聯(lián)式傾斜傳感器工作原理如圖3所示，三個陀螺的輸出信號通過偏置修正器輸A CTM坐標變換矩陣運算部，它將運動坐標系變換成地球坐標系；三個加速度計的輸出信號和CTM信號輸入水平分量運算部計算出重力加速度的水平分量；在CTM中一出現(xiàn)誤差，便通過水平修正力矩運算部反饋回信號，使CTM的誤差變成零(水平修正環(huán))；同時，CTM坐標變換矩陣運算部內的方位角信號和磁方位傳感器的輸出信號在方位約束力矩運算部中進行比較運算，再反饋到CTM坐標變換矩陣運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，水平分量運算部和方位約束力矩運算部的輸出便不為零，將這個輸出和CTM信號一起輸入到陀螺偏置運算部，算得的偏置修正信號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間漂移。(5)主機端設備通過房間長軸線的方位角、筆桿的俯仰角度、方位角和筆尖至棱鏡體中心間的長度，計算出三維鼠標筆筆尖處空間點的三維坐標信息。計算原理如下假設房間長軸線的方位角為Y，筆尖與棱鏡體中心長度為山筆桿
俯仰角為a、方位角為P，筆尖與棱鏡體間長度d，為坐標改正參數(shù)，計算方法為(如圖4所示)
權利要求
1.一種真實空間中的地理虛擬仿真三維鼠標筆，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與控制按鍵(3)相連的LED燈筆尖(I)構成；筆桿部分(8)設有控制単元(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有傾斜傳感器(4)和無線收發(fā)裝置(5);最末端是ー個棱鏡體(6)，其人機交互方法是用戶通過視覺、命令按鈕交互通道與真實空間的地理虛擬系統(tǒng)進行交流，達到人機交互的目的；所述裝置部分的傾斜傳感器(4)采用捷聯(lián)式傾斜傳感器，它由三軸振動陀螺、三軸伺服加速度計、磁方位傳感器及主機端組成，內部設有定向程序和傾斜測角程序；傾斜傳感器(4)以陀螺、加速度計、方位傳感器的輸出信號為基礎，利用計算機進行快速運算，能實時輸出地球坐標系的方位角、滾動角、俯仰角和運動坐標系X、y、z各軸的加速度和角速度信號；傾斜傳感器(4)與LED燈筆尖(I)相連接，形成一個整體； 所述無線收發(fā)裝置(5)采用無線電技術，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、傳輸數(shù)據(jù)的作用；最末端的棱鏡體(6)是由八個大小相同的正三角形棱鏡組成的正八面體，每個三角形棱鏡的邊長為5毫米，LED燈筆尖(I)至棱鏡體出)中心長度為0.2米。
2.根據(jù)權利要求1所述的三維鼠標筆，其特征在于其使用方法包括以下步驟 (1)在房間內建立真實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，移動三維鼠標筆，選取所需空間點； (2)用戶使LED燈筆尖⑴靜止在步驟⑴所選取的空間點處，點擊控制按鍵(3)發(fā)出定位命令，LED燈筆尖(I)的LED燈閃爍作為反饋信號，同時控制単元(2)將定位命令通過無線收發(fā)裝置(5)傳輸給主機端設備(c)； (3)在真實空間中建立空間右手直角坐標系，主機端設備(c)的定位裝置接收到步驟⑵的定位命令對棱鏡體(6)進行定位；通過全站儀測角測距原理獲得棱鏡體(6)所在空間點到主機端設備(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)可計算出棱鏡體(6)所在空間點的三維坐標“，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，并通過無線收發(fā)裝置(5)將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街鳈C端設備(c)； 捷聯(lián)式傾斜傳感器(4)工作原理如下三個陀螺的輸出信號通過偏置修正器輸入CTM坐標變換矩陣運算部，它將運動坐標系變換成地球坐標系；三個加速度計的輸出信號和CTM信號輸入水平分量運算部計算出重力加速度的水平分量；在CTM中一出現(xiàn)誤差，便通過水平修正力矩運算部反饋回信號，使CTM的誤差變成零，即水平修正環(huán)；同吋，CTM坐標變換矩陣運算部內的方位角信號和磁方位傳感器的輸出信號在方位約束カ矩運算部中進行比較運算，再反饋到CTM坐標變換矩陣運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，水平分量運算部和方位約束カ矩運算部的輸出便不為零，將這個輸出和CTM信號一起輸入到陀螺偏置運算部，算得的偏置修正信號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間漂移； (5)主機端設備(c)通過房間長軸線的方位角、筆桿部分(8)的俯仰角度、方位角和筆尖至棱鏡體(6)中心間的長度，計算出三維鼠標筆筆尖處空間點的三維坐標信息，計算原理如下 假設房間長軸線的方位角為Y，筆尖與棱鏡體中心長度為d，筆桿俯仰角為a、方位角為3，筆尖與棱鏡體間長度d，(Ai;Ajr^)為坐標改正參數(shù)，計算方法為
全文摘要
本發(fā)明公開了真實空間中的地理虛擬仿真三維鼠標筆。由筆尖部分、筆桿部分、裝置部分和棱鏡體組成。筆尖部分由一個與控制按鍵相連的LED燈筆尖構成；筆桿部分設有控制單元、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有傾斜傳感器、無線收發(fā)裝置；最末端是一個棱鏡體，其人機交互方法是用戶通過視覺、命令按鈕交互通道與真實空間的地理虛擬系統(tǒng)進行交流，達到人機交互的目的。本發(fā)明將三維鼠標筆用于真實空間的地理虛擬仿真系統(tǒng)中，使用戶以更加真實、更加直觀、更加有效的方式與地理虛擬環(huán)境進行交互，大大增強了互動性和沉浸感，為用戶提供一種在真實空間中更通用、更直接操作地理虛擬環(huán)境場景的人機交互方式。
文檔編號G06F3/0346GK103034345SQ20121055430
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權日2012年12月19日
發(fā)明者李景文, 張源, 唐詩華, 陸妍玲 申請人:桂林理工大學