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从3DoF/6DoF VR设备剖析IMU-细解陀螺仪

 

IMU可根据DOF的不同来加以区分

  • 6DOF的IMU一般由一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪组成;9DOF的IMU会多一个三轴磁力计
  • 模块所能感知状态量的个数即为DOF大小,DOF越多、精度越高的IMU也就越贵。

DoF:degree of freedom,即自由度

3dof是指有3个转动角度的自由度,而 6dof 是指,除了3个转动角度外,再加上 上下、前后、左右等3个位置相关的自由度。

  • 3dof的VR眼镜或VR设备时,是指该VR设备可以检测到头部向不同方向的自由转动,但是不能检测到头部的前后左右的空间位移。
  • 6dof的VR设备(眼镜),则除了检测头部的转动带来的视野角度变化外,还能够检测到由于身体移动带来的上下前后左右位移的变化。

  • 3DOF的VR设备一般可以用来看VR电影
  • 要达到玩游戏时与场景中的交互,则需要能够支持6DOF的VR设备,这样我们才能够在游戏里体验到跨越障碍、躲避子弹和怪兽、以及跳楼、登山、滑雪等超级真实的感受。

 

IMU(Inertial measurement unit)

  • 测量物体三轴姿态角及加速度的装置:一般IMU包括三轴陀螺仪及三轴加速度计,某些9轴IMU还包括三轴磁力计
  • 加速度计:检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号,对单方向加速度积分即可得到方向速度
  • 陀螺仪:检测载体相对于导航坐标系的角速度信号
  • 磁力计:检测载体相对于地球磁场的东南西北方向信号
  • 测量物体在三维空间中的角速度和加速度,并以此解算出物体的姿态
  • 陀螺仪知道“我们转了个圈”,加速度计知道“我们又前进了几米”,磁力计知道“我们是向西偏北方向的”

陀螺仪

  • 如果要让VR设备显示器里的景象随着人头部的运动而实时发生变化,则必须要知道头部的朝向。例如,当你穿戴着VR设备向上看时,眼睛里的显示器,需要向你实时地显示虚拟世界中的天空,当你回头时,显示器则需要向你展示身后的景象,模拟真正的回头。
  • 而VR设备如何检测你这个“向上看”的动作呢?这就需要陀螺仪来配合了,它可以用来检测人(物体)在空间中的姿态和朝向。
  • 陀螺仪工作原理:就是运用物体高速旋转时,角动量很大,旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质,所制造出来的定向仪器
  • 结构:由一个陀螺转子与旋转轴相连,外围是由两个支架组成,陀螺仪是用高速回转体的动量惯性沿一个或两个轴运动装置,其主要特点是稳定性和定轴性
  • 特性定轴性和进动性 
    • 定轴性:是指高速旋转的陀螺仪,在没有外力矩作用时,陀螺仪的自转轴指向惯性空间恒定的初始方向;
    • 进动性 :当陀螺转子以高速旋转时,如果施加的外力矩是沿着除自转轴以外的其它轴向,陀螺并不顺着外力矩的方向运动,其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直

可参考示例:http://v.youku.com/v_show/id_XMTQxMDc4NDU2.html

  • 利用陀螺稳定平台测出载体的姿态参数,包括航向角、俯仰角和滚转角

 

电子陀螺仪

  • 如果将模块置于一个旋转坐标系下,由于坐标系的旋转,使得当质量块沿x方向运动时,在y方向上会受到一个力,即科里奥里力F=-2mvω,从而使质量块沿y方向运动

  • 电子陀螺仪的物理实现:如下图所示,外侧的蓝色与黄色部分为驱动电极,内部的红色与蓝色为测量电极。在模块的驱动方向施加正弦驱动电压,当模块发生旋转时,质量块在垂直方向受科里奥里力影响也会产生一个正弦运动,且正弦运动的幅值与平台的角速度成正比,通过垂直方向的电极测量出此幅值,便可以得到模块角速度。与三轴加速度计一样,这样的结构在三轴陀螺仪的三个方向上各有一个,从而测量出三个方向的角速度。

磁力计(Magnetic)(地磁)

  • 可用于测试磁场强度和方向,定位设备的方位,磁力计的原理跟指南针原理类似,可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。
  • 地球都是有磁场存在的,而且地磁的方向都是一定的,除了在南北极地磁场是从上指到下(或者从下指到上)的,在其他区域基本都是由南指向北的。
  • 磁力计的原理就是使用霍尔元件的原理测量磁场的传感器。
  • 霍尔元件只能测量一个方向的磁场,所以磁力计要在空间中测量磁场的话要使用三个方向的霍尔传感器测量到三个正交的方向的磁场后合成一个合磁场,再使用这个合磁场的方向和地磁场的方向做对比从而可以获得传感器自身的方向和姿态。

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