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【全国大学生物联网设计竞赛作品】基于物联网的数据手套

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yuangungun
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高级工程师
  • 2018-9-30 11:39:44
基于物联网的数据手套



团队名称:未来之光九队
第一导师:李桃
第二导师:韩晶晶
队长:张震
队员1:侯凯
队员2:巩大利
队员3:崔瑜
诚信承诺申明

        本参赛队全体队员及指导教师已认真阅读《全国大学生物联网设计竞赛章程》关于竞赛作品的知识产权之全部条款,郑重申明,在参加全国大学生物联网设计竞赛时所呈交的竞赛作品及作品设计文档均为参赛队员在指导教师指导下独立完成。尽本参赛队所知,竞赛作品及作品设计文档中,除特别加以标注的部分外,不存在侵犯第三方知识产权的内容。竞赛作品及作品设计文档并非由参加其他竞赛之作品及作品设计文档未经改动直接参赛;如作品确参加过其他竞赛的,本参赛队承诺参加本次比赛之作品已经过较大改动。
指导教师签名:李桃韩晶晶

日期:2016年5月28日

设计作品名称

数据手套

摘要

       数据手套是实现虚拟现实技术的交互设备之一,数据手套的应用对于虚拟制造非常重要。研究数据手套的功能和原理,设计了一种面向虚拟制造的数据手套交互控制模块。本论文主要介绍了基于无线数据传输和处理的数据手套,该数据手套采用以ARM Cortex-M4处理器,通过对手势数据的采集及处理,从而实现其所对应的功能。
     关键词:数据手套;虚拟现实技术;数据采集;ARM Cortex-M4处理器


QQ图片20180930105515.png

   第一章设计需求分析
    1.1设计需求
    为了能让用户体验到真实物体的移动和反应,能够探测出所模拟物体、模型的表面密度、水含量、磁场强度、光照强度和振动强度等而研制出的数据手套。在医疗和机器人领域,数据手套/力反馈手套也用于虚拟远程机械手控制和远程医疗等方面。
    1.2设计思路
    智能手套可通过指套部分的几个个柔性传感器来收集信息。当使用者在手语交流时弯曲手指,传感器所检测到的数据便会被发送到一个串行监视器,而手套内置的加速度计则可以检测到手掌的方向。随后,手套所内置的算法会将这些数据翻译成文字并将其显示在屏幕上。智能手套所应用的非接触性技术,当前存在的非接触性卡的读卡器不必经过修改就可与手套兼容。
    第二章特色与创新
    2.1  设计特色
   有关智能可穿戴设备,通常来说,只要是在日常生活当中能被穿戴在身上的,包括帽子,手套,衣服等等都可以算到这个概念当中去。而根据外媒的报导。智能手套也许在人机接口领域能够拥有较大的发展潜力,可以帮助人们摆脱操作杆或鼠标。当然,如何使其变得在使用时更加方便,并且操作起来更加直观和自然就成了需要解决的问题。从外形上来看,它有些像足球比赛当中守门员所佩戴的手套,然而在它的外表下隐藏着各种各样的零件,使它和一般的守门员手套或冬天滑雪时佩戴的手套又有很大的不同之处。它可以通过不同的手势来对一些设备进行远程控制,包括电脑。当相关的配套系统根据光学追踪软件检测到动作之后,就会根据这些动作发出相应的指令从而进行远程控制。并且,在做这些动作或运动的时候,手套会根据产生的动能自动的进行充电,也正是基于此,这款手套是无需另外去刻充电,这样一来就会节省很多麻烦。
    2.2 设计创新
    现阶段的数据手套主要不足有:手套****部分容易受用户手尺大小影响,应用过程中需要重新校正防止手套与手指之间滑动带来的误差,另外就是传感器的的疲劳问题,如:光纤传感器使用时间过长导致精度下降或折断。
    本论文所研究的作品就这两方面的问题进行了优化:本作品****部分采用弹性纤维材质的手套作为载体,解决了不同人手尺寸的问题,各个结点及其所连接的导线都固定于手套上,解决了校正的问题。该作品采用的是结点感应,通过结点的状态判断人手的动作,代替了条状的传感器,解决了传感器疲劳的问题,同时也降低了制作的成本。
   第三章功能规划
    智能手套所应用的非接触性技术,当前存在的非接触性卡的读卡器不必经过修改就可与手套兼容。手套中植入微型非接触性芯片,可以与信用卡或借记卡相连,用于购买20英镑(约合人民币195元)以下的商品,无需输入PIN码。可穿戴技术正蓬勃发展,消费者希望这些设备更容易穿戴、更时尚,以及拥有更多功能。
    近年来日益受欢迎,目前英国有4500万张非接触性卡流通,30万个场所可以使用非接触性支付方式付账。手套还有触屏功能,购物者可戴着手套使用手机。特色与创新,因此若有了智能手套,发展前景不可估量。可以应用于多种领域,金融业,而金融业涉及太多领域,超市银行,大小城市都有,若是过节高峰期,这些智能手套可以减少不必要的麻烦。农业,畜牧业,教育界,医学界,虚拟世界,都离不开这种手套。所以有着很大的发展前景与市场。2014年11月份,全英房屋抵押贷款协会宣布,客户可下载Android手机银行应用,然后通过Android Wear智能手表查询账户余额。此外,客户也可以对智能手表进行设定,每天向他们通报账户中还有多少资金。也许在将来,用它打游戏秀操作也是一个不错的选择。数据手套作为一致虚拟的手将被应用于3D虚拟现实场景的模拟交互中,可以识别人手的多种动作,从而实现虚拟与现实的互动。更高级的数据手套可以满足人们更高的需求,如:机器人系统、操作外科手术、虚拟装备训练、手语识别系统、动画制作、动作捕捉、教育娱乐、机器人技术、动作捕捉、虚拟现实、创新游戏、复原、以及对残障人士的辅助等。
     第四章硬件组成
     该作品用弹性纤维手套作为主要载体,将传感器接在指关节处用来接受手指的状态,在手套背部连接一个三轴加速度传感器,当检测到做出手势时,然后锁定3秒钟,做出相应的判断和功能,本作品的核心部分就是ARM Cortex-M4处理器,它是对数据接收和处理的中枢,是实现虚拟与现实交换的关键部分。
      1、手套载体:手套能够很好的跟踪人手的每个关节,并且精确的捕捉人手的动作。它可以像皮肤一样贴合手部,并不限制人手的动作范围:你可以带着手套打字或者做其他事。用手套甚至可以不需要键盘,用户可以在任何平面打字。如下图:
QQ图片20180930105927.png

                 图一手套载体
    2、传感器节点传感器节点是采用自组织方式进行组网以及利用无线通信技术进行数据转发的,节点都具有数据采集与数据融合转发双重功能。如下图:
QQ图片20180930110048.png

              图二传感器节点
      3、ARM Cortex-M4的处理器ARMCortexTM-M4处理器是由ARM专门开发的最新嵌入式处理器,在M3的基础上强化了运算能力,新加了浮点、DSP、并行计算等,用以满足需要有效且易于使用的控制和信号处理功能混合的数字信号控制市场。其高效的信号处理功能与Cortex-M处理器系列的低功耗、低成本和易于使用的优点的组合,旨在满足专门面向电动机控制、汽车、电源管理、嵌入式音频和工业自动化市场的新兴类别的灵活解决方案。如下图:
QQ图片20180930110215.png
  图三基于ARM Cortex-M4的处理器
   4、三轴加速传感器:三轴加速度传感器大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理,产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化,通过相应的放大和滤波电路进行采集。这个和普通的加速度传感器是基于同样的原理,所以在一定的技术上三个单轴就可以变成一个三轴。对于多数的传感器应用来看,两轴的加速度传感器已经能满足多数应用。但是有些方面的应用还是集中在三轴加速度传感器中例如在数采设备,贵重资产监测,碰撞监测,测量建筑物振动,风机,风力涡轮机和其他敏感的大型结构振动。如下图
QQ图片20180930110330.png

      图四三轴加速传感器
      第五章软件架构和开发环境
     5.1 虚拟现实与数据手套
     5.1.1 虚拟现实
  虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术是近年来最热门的研究领域之一,有着巨大的发展潜力和广泛的应用前景,受到各界、尤其是军方的青睐。在虚拟的现实中,人们利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等多维输入输出设备通过传感器装置与计算机生成的三维虚拟环境交互作用,可获视觉、听觉、触觉等多种感知反馈,并按照自己的意愿去实时地改变虚拟环境。本文使用VR技术示意图,如图所示:标志人体各类信息的信号量传感器件动作人虚拟现实系统传递视觉、触觉、声音等直观信号(计算机软硬件)感觉
QQ图片20180930110613.png

图五VR技术示意图








yuangungun
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   5.1.2 数据手套     

   手是人与外界进行物理接触及意识表达的主要媒介。当人与计算机控制系统进行交互操作时,传统的输入输出接口设备,如键盘、鼠标等只能限制手在桌面上或一个小区域内进行简单的运动控制,而表达意识的大多数手的自然运动被牺牲了,妨碍了人们对系统控制意识表达的全面性与灵活性。因此,一种基于VR技术的应用诞生了——数据手套。数据手套可以跟踪操作者灵活多变的手势及空间方位,使操作者自然而然地将自己的意识传送至计算机。因此数据手套作为一种重要的人机交互接口,广泛地应用于虚拟现实的研究领域中。
    5.2 虚拟现实系统的功能以及应用虚拟现实系统按其功能高低大体分为4类:
    一是桌面虚拟现实系统,也称窗口中的VR。它主要在台式计算机上实现,所以成本低,功能也最简单,主要用于CAD、CAM、建筑设计、桌面游戏等领域。
    二是沉浸虚拟现实系统,如各种用途的体验器,使人有身临其境的感觉,各种培训、演示以及高级游戏等用途均可用这种系统。
    三是分布式虚拟现实系统,它在因特网环境下,充分利用分布于各地的资源,协同开发各种虚拟现实的利用。它通常是沉浸虚拟现实系统的发展,也就是把分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统,通过因特网连接起来,共同实现某种用途。美国大型军用交互仿真系统NPSNET以及因特网上多人游戏MUD便是这类系统。
   四是增强现实或混合现实系统。它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统,既可减少构成复杂真实环境的开销,又可对实际物体进行操作,真正达到了亦真亦幻的境界,是今后的发展方向之一。
      第六章数据传输技术应用
     6.1 虚拟现实的技术的组成
     虚拟现实系统中包括人件(HumanWare) 、媒体件(MediaWare) 、数据件(DataWare)和网络件(NetworkWare) 4部分。人是虚拟现实系统的“核心”,人能与虚拟世界对话,体验虚拟世界的临境感,人的参与使虚拟现实更为重要。媒体件将从听觉、视觉和触觉得到的信息加以综合,并以和谐的形式进行反馈处理。数据件和网络件是指在虚拟现实中需要进行双向会话和数据交流,必须依赖面向对象的数据库和网络通讯等基础设施。
     6.2 数据手套实现的一般机理
      数据手套是虚拟现实系统的重要组成部分,是一种通用的人机接口,其直接目的在于实时获取人手的动作姿态,以便在虚拟环境中再现人手动作,达到理想的人机交互目的。数据手套实现的关键在于手掌、手指及手腕的各个有效部位的弯曲、外展等测量以及在此基础上的姿态的反演。完成反演主要取决于人体手部姿态的建模,最根本的就是,确定传感器测量数据和手部各关节运动姿态的对应关系。
    6.3 虚拟现实的关键技术
     数据手套实现的关键技术包括以下几个方面:    6.3.1动态环境建模技术
     虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型,以求有真实感。三维数据的获取可以采用CAD 技术(有规则的环境) ,而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术,两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。
    6.3.2实时三维图形系统和虚拟现实交互技术利用实时三维图形系统,可以生成有逼真感的图形,图像具有三维全彩色、明暗、纹理和阴影等特征。虚拟现实是一种交互式和先进的计算机显示技术,双向对话是它的一种重要工作方式,为虚拟环境提供了一种新的人机接口。
   6.3.3传感器技术虚拟现实的交互能力,例如,显示以及拾取技术,均依赖于传感器技术的发展。而现有的传感器的精度还远远不能满足系统的需要。例如,数据手套的专用传感器就存在工作频带窄、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺陷,因而寻找和制作新型、高质量的传感器变成了该领域的首要问题。
     6.4开发和系统集成技术工具
      虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象,即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的,必须研究虚拟现实的开发工具。例如,虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型,因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。


参考文献
[1] 曾芬芳,梁柏林,刘镇,王建华;基于数据手套的人机交互环境设计[J];
[2] 王智, 潘强, 邢涛. 面向物联网的实体实时搜索服务综述[D].中国科学院上海微系统与信息技术研究所. 2009.
[3] 邹湘军,孙健,何汉武,郑德涛,陈新;虚拟现实技术的演变发展与展望[J];系统仿真学报;2004年09期
[4] 姜学智,李忠华;国内外虚拟现实技术的研究现状[J];辽宁工程技术大学学报;2004年02期
[5] 李琪,白英彩,曾芬芳;一个虚拟手原型的实现[J];上海交通大学学报;1999年11期
[6] 姜学智,李忠华;国内外虚拟现实技术的研究现状[J];辽宁工程技术大学报;2004年02期
[7]李琪,白英彩,曾芬芳;一个虚拟手原型的实现[J];上海交通大学学报;1999年11期
[8] 邹湘军,孙健,何汉武,郑德涛,陈新;虚拟现实技术的演变发展与展望[J];系统仿真学报;2004年09期






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