Введение 5
1. Обзор основных методов определения пространственного положения и
ориентации тела 7
1.1 Системы трекинга в помещениях и открытых пространствах 9
1.2 Системы трекинга тела человека и регистрации мелкой моторики. 17
1.3 Анализ современных методов отслеживания положения и
ориентации и обоснование выбора 29
2. Методы определения ориентации MEMS-датчика 32
2.1 Матрица поворотов 32
2.2 Углы Эйлера 34
2.3 Кватернионы 37
3. Определение перемещения по акселерометру 42
3.1 Фильтр низких частот 43
3.2 Фильтр высоких частот 45
3.3 Расчет перемещения MEMS-датчика по показаниям акселерометра
4. Определение перемещения MEMS-датчика в магнитном поле 50
4.1. Определение координат по значению магнитной индукции 50
5. Определение перемещения с использованием фильтра Калмана 55
6. Метод FABRIK 62
6.1 Применение метода FABRIK к 3D - модели в среде UNITY 3D 64
Заключение 69
Список литературы 71
Приложения должны быть в работе, но в данный момент отсутствуют
Задачи по определению пространственного положения и ориентации тела в настоящее время только усиливают свою актуальность. Технологии, позволяющие с достаточно высокой точностью определить перемещение тела в пространстве, являются очень перспективными и в настоящее время очень бурно развиваются. Этому способствует высокий спрос на использование данной технологии в различных сферах жизнедеятельности.
Из общей массы можно выделить следующие сферы применения технологий определения пространственного положения:
1. Аэрокосмическая: создание манипуляторов, управляемых
удалённо для работы в открытом космосе или на изучаемых космических телах.
2. Телемедицина: создание манипуляторов, управляемых удалённо, имеющих высокую точность для проведения различного рода операций.
3. Создание прочих видов манипуляторов, которыми можно управлять удаленно: поисково-спасательные, строительные и прочие.
4. Создание устройств, применяемых в игровой индустрии (VR/AR).
Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка алгоритмов и программного обеспечения для контроллеров систем виртуальной реальности отслеживающих движение кисти. Для достижения поставленной цели были выделены следующие задачи:
1. Изучить и проанализировать существующие методы трекинга.
2. Выбрать оптимальный метод для разрабатываемой системы трекинга рук.
3. Разработать алгоритм и провести расчеты координат и ориентации по выходным данным многоосевых сенсоров.
4. Построить виртуальную модель и апробировать разработанные алгоритмы и ПО.
ВКР состоит из шести глав, введения, заключения, списка используемой литературы и одного приложения. Результаты разработки и апробации алгоритмов трекинга были представлены на 2 международных конференциях, 1 студенческой. На разработанное программное обеспечение зарегистрировано свидетельство на программу для ЭВМ «Вычисление координат датчика в поле постоянного магнита по кинематическим и магнитным данным».
В ходе данной выпускной квалификационной работы производилась разработка программного обеспечения для контроллеров виртуальной реальности. Для достижения этой цели были выделены следующие задачи:
1. Изучение и анализ основных методов трекинга.
2. Выбор оптимального метода для разрабатываемой системы.
3. Расчет координат и ориентации по выходным данным.
4. Применение рассчитанных значений к виртуальному объекту.
По мере выполнения поставленных задач стало понятно, что при использовании MEMS-сенсоров в системах трекинга необходимо производить предварительную калибровку датчиков.
Кроме калибровки, данные акселерометра необходимо пропустить через полосовой фильтр для получения более близкого к истине результата.
Однако, применения всех описанных комбинаций фильтров не позволяет добиться желаемой точности определения координат по данным акселерометра, поэтому был предложен метод магнитного трекинга.
Для более точного приближения координат к истинным было предложено использование фильтра Калмана.
И, наконец, полученные значения ориентации из расчета кватерниона и координат, рассчитанных по комбинации инерциального и магнитного трекинга, применяются к виртуальной модели с использованием обратной кинематики по методу FABRIK.
Все разработанные и примененные в ходе данной работы алгоритмы и программное обеспечение были протестированы и продемонстрировали положительные результаты. Результаты разработки и апробации алгоритмов трекинга были представлены на 2 международных конференциях, 1 студенческой. На разработанное программное обеспечение зарегистрировано свидетельство на программу для ЭВМ «Вычисление координат датчика в поле постоянного магнита по кинематическим и магнитным данным».
Как видно, все поставленные задачи были решены, разработанные алгоритмы демонстрируют положительные результаты работы, из чего можно сделать вывод что цель данной ВКР достигнута.
