一种真实空间中的地理虚拟仿真三维鼠标笔

摘要

本发明公开了真实空间中的地理虚拟仿真三维鼠标笔。由笔尖部分、笔杆部分、装置部分和棱镜体组成。笔尖部分由一个与控制按键相连的LED灯笔尖构成；笔杆部分设有控制单元、与控制单元相连的电源模块和控制按键；靠近末端的装置部分设有倾斜传感器、无线收发装置；最末端是一个棱镜体，其人机交互方法是用户通过视觉、命令按钮交互通道与真实空间的地理虚拟系统进行交流，达到人机交互的目的。本发明将三维鼠标笔用于真实空间的地理虚拟仿真系统中，使用户以更加真实、更加直观、更加有效的方式与地理虚拟环境进行交互，大大增强了互动性和沉浸感，为用户提供一种在真实空间中更通用、更直接操作地理虚拟环境场景的人机交互方式。

说明书

技术领域

本发明属于GPS技术、GIS技术和无线通信技术领域，特别涉及一种基于GPS和GIS技术、无线通信技术的真实空间中的地理虚拟仿真人机交互方法，实现用户与真实空间中地理虚拟仿真系统之间人机交互的装置。

背景技术

三维地形建模及其可视化研究是当前地学信息技术领域最富有活力的方向之一，近年来国内外对地理虚拟仿真技术的研究已十分广泛，其中，操作系统的人机交互功能是真实空间中地理虚拟仿真系统很重要的一个部分，也是决定地理虚拟仿真系统操作性的一个重要因素，特别是近年来真实空间三维可视化技术的发展，使用户能够身临其境地融入到地理虚拟仿真系统中，增加了用户的沉浸感；然而现有的大多数三维可视化系统主要采用键盘、鼠标、各种模式识别设备等传统的交互方式，操作繁琐且不直观，且无法实现地理虚拟仿真场景在真实空间中的再现操作；例如，当所处理的对象是传统的二维模型时，交互装置（鼠标）光标的二维运动可以一一映射到二维模型上，从而方便地实现几乎所有需要的操作；然而，当在真实空间的地理虚拟仿真系统中，交互时所关注的对象变成了三维地理模型，由于计算机屏幕上的像点(x，y)与真实空间的三维坐标(x，y，z)不具备唯一对应关系，这就使得交互的操作难度大大增加，传统的交互方式已不能满足地理虚拟仿真场景在真实空间中的再现操作。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷和不足，结合空间定位技术、按键操控技术、无线通信技术，提供一种真实空间中的地理虚拟仿真人机交互装置——三维鼠标笔。

本发明是这样实现的：一种真实空间中的地理虚拟仿真人机交互装置——三维鼠标笔，由笔尖部分、笔杆部分、装置部分和棱镜体组成；笔尖部分由一个与控制按键相连的LED灯笔尖构成；笔杆部分设有控制单元、与控制单元相连的电源模块和控制按键；靠近末端的装置部分设有倾斜传感器、无线收发装置；最末端是一个棱镜体，其人机交互方法是用户通过视觉、命令按钮交互通道与真实空间的地理虚拟系统进行交流，达到人机交互的目的。

所述装置部分的倾斜传感器采用捷联式倾斜传感器，它由三轴振动陀螺、三轴伺服加速度计、磁方位传感器及主机端组成，内部设有定向程序和倾斜测角程序；倾斜传感器以陀螺、加速度计、方位传感器的输出信号为基础，利用计算机进行快速运算，能实时输出地球坐标系的方位角、滚动角、俯仰角和运动坐标系x、y、z各轴的加速度和角速度信号；倾斜传感器与LED灯笔尖相连接，形成一个整体。

所述无线收发装置采用无线电技术，它与控制单元、倾斜传感器相连接，起到收发命令信号、传输数据的作用；最末端的棱镜体是由八个大小相同的正三角形棱镜组成的正八面体，每个三角形棱镜的边长为5毫米，笔尖至棱镜中心长度为0.2米。

人机交互装置的交互方法，包括以下步骤：

(1)在房间内建立真实空间的地理虚拟仿真系统，用户在系统中观察投影影像，移动三维鼠标笔，选取所需空间点。

(2)用户使笔尖静止在步骤(1)选取的空间点处，点击控制按键发出定位命令，笔尖LED灯闪烁作为反馈信号，同时控制单元将定位命令通过无线收发装置传输给主机端设备。

(3)在真实空间中建立空间右手直角坐标系，主机端设备的定位装置接收到步骤(2)的定位命令对棱镜体进行定位；通过全站仪测角测距原理获得棱镜体所在空间点到主机端定位装置镜头的距离及方位角、垂直角，利用三角函数可计算出棱镜体所在空间点的三维坐标                                                。

(4)装置部分的捷联式倾斜传感器记录此刻笔杆的俯仰角（仰角为正，俯角为负）和方位角，并通过无线收发装置将数据实时传输到主机端设备。

捷联式倾斜传感器工作原理如图3所示，三个陀螺的输出信号通过偏置修正器输入CTM坐标变换矩阵运算部，它将运动坐标系变换成地球坐标系；三个加速度计的输出信号和CTM信号输入水平分量运算部计算出重力加速度的水平分量；在CTM中一出现误差，便通过水平修正力矩运算部反馈回信号，使CTM的误差变成零(水平修正环)；同时，CTM坐标变换矩阵运算部内的方位角信号和磁方位传感器的输出信号在方位约束力矩运算部中进行比较运算，再反馈到CTM坐标变换矩阵运算部中使两者的差值为零(方位约束环)；另外，陀螺一出现漂移，水平分量运算部和方位约束力矩运算部的输出便不为零，将这个输出和CTM信号一起输入到陀螺偏置运算部，算得的偏置修正信号输入各陀螺的偏置修正器，把陀螺漂移修正为零，这样便消除了陀螺的时间漂移。

(5)主机端设备通过房间长轴线的方位角、笔杆的俯仰角度、方位角和笔尖至棱镜体中心间的长度，计算出三维鼠标笔笔尖处空间点的三维坐标信息。

计算原理如下：假设房间长轴线的方位角为γ，笔尖与棱镜体中心长度为d，笔杆俯仰角为α、方位角为β，笔尖与棱镜体间长度d，为坐标改正参数，计算方法为（如图4所示）：

则笔尖处空间点三维坐标为：

   

地理虚拟仿真中人机交互装置的交互方法，所得的反馈信息经过比例尺缩放后输入仿真系统中，调出真实地理实体的空间属性，并通过主机端设备的显示器或大屏幕投影设备显示出来，使用户得到所需信息。

本发明在真实空间的地理虚拟仿真系统中，用户可通过视觉观察结合按键操控在真实空间中与虚拟地理环境进行交流，达到人机交互的目的；同时，将三维鼠标笔用于真实空间的地理虚拟仿真系统中，使用户以更加真实、更加直观、更加有效的方式与地理虚拟环境进行交互，大大增强了互动性和沉浸感，为用户提供一种在真实空间中更通用、更直接操作地理虚拟环境场景的人机交互方式。

附图说明

图1为本发明三维鼠标笔的外观结构示意图。

图中标记：1-LED灯笔尖；2-控制单元；3-控制按键；4-倾斜传感器；5-无线收发装置；6-棱镜体；7-电源模块；8-笔杆部分。

图2为本发明三维鼠标笔的棱镜体结构图。

图3为本发明捷联式倾斜传感器工作原理图。

图4为本发明求解笔尖处空间点坐标示意图，其中a为侧视图，b为俯视图。

图5为本发明实施例空间示意图。

图中标记：c-主机端设备。

具体实施方式

实施例：

如图1所示，三维鼠标笔由笔尖部分、笔杆部分8、装置部分和棱镜体6组成；笔尖部分由一个与控制按键3相连的LED灯笔尖1构成；笔杆部分8设有控制单元2、与控制单元2相连的电源模块7和控制按键3；靠近末端的装置部分设有倾斜传感器4和无线收发装置5；最末端是一个棱镜体6，其人机交互方法是用户通过视觉、命令按钮交互通道与真实空间的地理虚拟系统进行交流，达到人机交互的目的。

所述装置部分的倾斜传感器4采用捷联式倾斜传感器，它由三轴振动陀螺、三轴伺服加速度计、磁方位传感器及主机端组成，内部设有定向程序和倾斜测角程序；倾斜传感器4以陀螺、加速度计、方位传感器的输出信号为基础，利用计算机进行快速运算，能实时输出地球坐标系的方位角、滚动角、俯仰角和运动坐标系x、y、z各轴的加速度和角速度信号；倾斜传感器4与LED灯笔尖1相连接，形成一个整体。

所述无线收发装置5采用无线电技术，它与控制单元2、倾斜传感器4相连接，起到收发命令信号、传输数据的作用；最末端的棱镜体6是由八个大小相同的正三角形棱镜组成的正八面体，每个三角形棱镜的边长为5毫米，LED灯笔尖1至棱镜体6中心长度为0.2米。

本实施例在长宽高为10米×6米×3米，长轴线方位角为60°的房间内建立真实空间的地理虚拟仿真系统，将三维地理模型投影在房间真实空间中，以房间一下方墙角为原点，房间短轴为X轴，长轴为Y轴，建立空间右手直角坐标系，则房间的顶点坐标分别为（0，0，0）（0，0，3）（6，0，0）（6，0，3）（0，10，0）（0，10，3）（6，10，0）（6，10，3），将主机端设备c固定于上方墙角处，并将坐标系输入完成定位，如图5所示。

人机交互装置的交互方法，包括以下步骤：

(1)用户在真实空间的地理虚拟系统中观察投影影像，移动三维鼠标笔选取所需要的空间点A。

(2)用户使LED灯笔尖1静止在空间A点，末端棱镜体位于空间B点，点击控制按键3发出定位命令，LED灯笔尖1的LED灯闪烁作为反馈信号，同时控制单元2将定位命令通过无线收发装置5传输给主机端设备c。

(3)主机端设备接收到定位命令后对棱镜体6进行定位，计算出棱镜处B点的三维坐标为（2，6，2）。

(4)末端装置部分中的捷联式倾斜传感器4记录此刻笔杆部分8的俯仰角为60°（仰角为正，俯角为负），方位角为30°，并通过无线收发装置5将数据传输到主机端设备c。

(5)主机端设备c通过房间长轴线（Y轴）方位角、笔杆部分8的俯仰角度、方位角和LED灯笔尖1至棱镜体6中心的长度，求解空间点A的三维坐标信息，其中改正参数为坐标系中线BA的矢量坐标:

则笔尖处A点三维坐标为：

求解得笔尖处A点的三维坐标为（2.050，6.087，2.866），将A点三维坐标经比例尺缩放，然后转换为屏幕坐标显示在主机端设备c的显示器上，同时显示空间A点地理实体的空间属性。