本發(fā)明屬于仿真技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于虛擬仿真教學(xué)的手勢(shì)交互系統(tǒng)及方法，尤其是涉及一種以數(shù)據(jù)手套作為載體的可用于虛擬手術(shù)仿真教學(xué)系統(tǒng)的手勢(shì)交互系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

虛擬手術(shù)是利用各種醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)模擬環(huán)境，醫(yī)生借助虛擬環(huán)境中的信息進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃、訓(xùn)練，以及實(shí)際手術(shù)過(guò)程中引導(dǎo)手術(shù)的新興學(xué)科。

其目的是使用計(jì)算機(jī)技術(shù)(主要是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí))來(lái)模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過(guò)程，在時(shí)間段上包括了術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后，在實(shí)現(xiàn)的目的上有手術(shù)計(jì)劃制定，手術(shù)排練演習(xí)，手術(shù)教學(xué)，手術(shù)技能訓(xùn)練，術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使醫(yī)務(wù)工作者沉浸于虛擬的場(chǎng)景內(nèi)，通過(guò)視、聽(tīng)、觸覺(jué)感知并反復(fù)學(xué)習(xí)各種手術(shù)實(shí)際操作，體驗(yàn)并學(xué)習(xí)如何應(yīng)付臨床手術(shù)中的實(shí)際情況。這樣節(jié)約了培訓(xùn)醫(yī)務(wù)人員的費(fèi)用和時(shí)間，使非熟練人員進(jìn)行手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)性大大降低，對(duì)提高醫(yī)學(xué)教育與訓(xùn)練的效率和質(zhì)量以及改善醫(yī)學(xué)手術(shù)水平發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀有著特殊的意義。

虛擬手術(shù)這個(gè)研究方向目前正在逐步形成之中，與之相關(guān)的一些研究方向主要有：醫(yī)學(xué)可視化，醫(yī)學(xué)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，醫(yī)用機(jī)器人，手術(shù)模擬，圖象引導(dǎo)手術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)等。

當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)了一些虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)，但是它們都缺少一種精確有效實(shí)時(shí)的信息交互方法，它多是采用手柄或者其他握持類(lèi)的輸入設(shè)備，在一些場(chǎng)景下不能給使用者很好的體驗(yàn)。而此發(fā)明則解決了這個(gè)問(wèn)題，它是以數(shù)據(jù)手套為載體的手勢(shì)交互方法，完全還原了人自然的操作方式，和真實(shí)手術(shù)的感覺(jué)一樣，能大大優(yōu)化用戶的使用體驗(yàn)、提高醫(yī)護(hù)人員的訓(xùn)練效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有虛擬仿真手術(shù)的手勢(shì)交互方式所存在的缺陷，提供了一種能更加精確獲取手部動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)并向其他設(shè)備提供還原手部信息的交互系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的系統(tǒng)所采用的技術(shù)方案是：一種用于虛擬手術(shù)仿真教學(xué)的手勢(shì)交互系統(tǒng)，其特征在于：包括有手勢(shì)傳感單元、慣性測(cè)量單元、輔助測(cè)量單元、數(shù)據(jù)解算和控制單元、WIFI通信單元、上位機(jī)；

所述手勢(shì)傳感單元、慣性測(cè)量單元、輔助測(cè)量單元、數(shù)據(jù)解算和控制單元、WIFI通信單元集成到手套上，穿戴在手上；

所述手勢(shì)傳感單元用于獲取手部手指關(guān)節(jié)的屈伸程度；所述慣性測(cè)量單元用于確定手部的空間位置；所述輔助測(cè)量單元用于結(jié)合慣性測(cè)量單元的數(shù)據(jù)，在三維空間內(nèi)對(duì)用戶手部的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)穩(wěn)定的感知和追蹤；

所述數(shù)據(jù)解算和控制單元分別與所述手勢(shì)傳感單元、慣性測(cè)量單元、輔助測(cè)量單元連接，用于對(duì)手勢(shì)傳感單元、測(cè)量單元和輔助測(cè)量單元獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制所述對(duì)手勢(shì)傳感單元、測(cè)量單元和輔助測(cè)量單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)手勢(shì)的識(shí)別、對(duì)手部運(yùn)動(dòng)的追蹤功能；

所述數(shù)據(jù)解算和控制單元通過(guò)所述WIFI通信單元與所述上位機(jī)連接通信。

本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是：一種用于虛擬手術(shù)仿真教學(xué)的手勢(shì)交互方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：采集各手指關(guān)節(jié)及拇指和手掌之間彎曲度、手部與超聲波發(fā)射源距離、手部在垂直于手部與超聲波發(fā)射源連線的二維平面位置、手部運(yùn)動(dòng)角速度和三軸加速度；

步驟2：通過(guò)各手指彎曲度數(shù)據(jù)得到手部的姿態(tài)，通過(guò)手部與超聲波發(fā)射源距離、手部在垂直于手部與超聲波發(fā)射源連線的二維平面位置的數(shù)據(jù)得到手部的三維坐標(biāo)，通過(guò)手部的運(yùn)動(dòng)角速度和三軸加速度還原手部運(yùn)動(dòng)，從而計(jì)算出手部的三維坐標(biāo)；

步驟3：對(duì)步驟2中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而精準(zhǔn)還原出手部狀態(tài)。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.采用柔性彎曲度電阻傳感器檢測(cè)彎曲角度。此類(lèi)傳感器采用了一種特殊材料，這類(lèi)材料對(duì)彎曲形變極其敏感，能夠?qū)澢巫冝D(zhuǎn)換為電阻阻值的變化，電阻阻值經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換方法，最后轉(zhuǎn)化為數(shù)字電路能夠處理的數(shù)字信號(hào)。通過(guò)這種方式避免了使用微電子慣性測(cè)量元件造成的運(yùn)算量大、誤差較大的弊端，也避免了圖像識(shí)別造成的抗干擾能力差、計(jì)算量大的弱點(diǎn)；

2.采用了通過(guò)綜合手部多個(gè)關(guān)節(jié)角度來(lái)還原出手勢(shì)的算法，與彎曲度傳感器相結(jié)合，使得裝置在柔軟輕便的情況下仍可獲得高精度的手勢(shì)還原度，應(yīng)用在虛擬手術(shù)中更逼真更接近真實(shí)場(chǎng)景；

3.采用了高精度微電子的慣性測(cè)量傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維空間實(shí)時(shí)精確定位。片上同時(shí)集成加速度計(jì)和陀螺儀，避免傳感器分置帶來(lái)的測(cè)量誤差；通過(guò)精密的校準(zhǔn)和精心設(shè)計(jì)的融合算法最大程度克服了慣性測(cè)量設(shè)備的固有缺點(diǎn)，得到媲美機(jī)械慣導(dǎo)設(shè)備的精確度，為后級(jí)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、追蹤、定位算法的準(zhǔn)確性提供保障；

4.采用紅外同步與超聲波測(cè)距相結(jié)合的測(cè)距方案用于在慣性測(cè)量條件未達(dá)到或需要相對(duì)于世界坐標(biāo)系的絕對(duì)定位參數(shù)時(shí)提供絕對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)，成本低，易實(shí)現(xiàn)，在虛擬手術(shù)仿真教學(xué)中具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)；

5.采用改進(jìn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度方法與嵌入式處理算法，使各項(xiàng)任務(wù)得到有效組織和精確調(diào)度，一方面提高了嵌入式處理器利用效率，另一方面又能做到及時(shí)響應(yīng)各種內(nèi)外部任務(wù)，保證實(shí)時(shí)性；

6.采用USB接口和WIFI通信方式，提供接口開(kāi)發(fā)包，支持各種醫(yī)學(xué)平臺(tái)，操作方便。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)功能模塊圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)的輔助測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中測(cè)量手部十五個(gè)關(guān)節(jié)角度的部位示意圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的目的是使用計(jì)算機(jī)技術(shù)(主要是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí))來(lái)模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過(guò)程，在時(shí)間段上包括了術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后，在實(shí)現(xiàn)的目的上有手術(shù)計(jì)劃制定，手術(shù)排練演習(xí)，手術(shù)教學(xué)，手術(shù)技能訓(xùn)練，術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等。運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使醫(yī)務(wù)工作者沉浸于虛擬的場(chǎng)景內(nèi)，可以通過(guò)視、聽(tīng)、觸覺(jué)感知并學(xué)習(xí)各種手術(shù)實(shí)際操作，體驗(yàn)并學(xué)習(xí)如何應(yīng)付臨床手術(shù)中的實(shí)際情況。

請(qǐng)見(jiàn)圖1、圖2和圖3，本發(fā)明提供的一種用于虛擬手術(shù)仿真教學(xué)的手勢(shì)交互系統(tǒng)，包括有手勢(shì)傳感單元1、慣性測(cè)量單元2、輔助測(cè)量單元3、數(shù)據(jù)解算和控制單元4、WIFI通信單元5、上位機(jī)6；

手勢(shì)傳感單元1、慣性測(cè)量單元2、輔助測(cè)量單元3、數(shù)據(jù)解算和控制單元4、WIFI通信單元5集成到手套上，穿戴在手上；

手勢(shì)傳感單元1用于獲取手部手指關(guān)節(jié)的屈伸程度；慣性測(cè)量單元2用于確定手部的空間位置；輔助測(cè)量單元3用于結(jié)合慣性測(cè)量單元2的數(shù)據(jù)，在三維空間內(nèi)對(duì)手部的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)穩(wěn)定的感知和追蹤；

數(shù)據(jù)解算和控制單元4分別與手勢(shì)傳感單元1、慣性測(cè)量單元2、輔助測(cè)量單元3連接，用于對(duì)手勢(shì)傳感單元1、測(cè)量單元2和輔助測(cè)量單元3獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制對(duì)手勢(shì)傳感單元1、測(cè)量單元2和輔助測(cè)量單元3，實(shí)現(xiàn)對(duì)手勢(shì)的識(shí)別、對(duì)手部運(yùn)動(dòng)的追蹤功能；

數(shù)據(jù)解算和控制單元4通過(guò)WIFI通信單元5與上位機(jī)6連接通信，上位機(jī)上運(yùn)行有用于用戶開(kāi)發(fā)和測(cè)試的虛擬手術(shù)仿真教學(xué)的手勢(shì)交互系統(tǒng)及開(kāi)發(fā)包。

本實(shí)施例的手勢(shì)傳感單元1包括彎曲電阻傳感器陣列7和與之相連的運(yùn)放跟隨裝置8，是系統(tǒng)的核心模塊，手勢(shì)傳感單元1通過(guò)彎曲電阻傳感器陣列7獲取到足以還原出手勢(shì)的15個(gè)角度，然后將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)理、整形和濾波后交由后級(jí)模塊處理。

本實(shí)施例的慣性測(cè)量單元2以六軸慣性測(cè)量傳感器9為核心，監(jiān)測(cè)手部在二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，獲取用戶手部的運(yùn)動(dòng)角速度和三軸加速度，結(jié)合相應(yīng)的算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶手部運(yùn)動(dòng)的追蹤，從而確定手部的空間位置。

本實(shí)施例的輔助測(cè)量單元3包括超聲波發(fā)射模塊10和超聲波接收模塊11，輔助測(cè)量單元3用于幫助系統(tǒng)克服慣性測(cè)量單元2測(cè)量結(jié)果的相對(duì)性和對(duì)被測(cè)目標(biāo)加速度限制嚴(yán)格的局限性；輔助測(cè)量單元3從世界坐標(biāo)系的視角，為某些主要功能的實(shí)現(xiàn)提供絕對(duì)定位數(shù)據(jù)，保證了慣性測(cè)量單元2測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可信和穩(wěn)定。為進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的可信性，排除因偶然因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成干擾，融合后的測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的卡爾曼濾波處理，從而達(dá)到更佳的噪聲抑制效果。

數(shù)據(jù)解算和控制單元4用于有效組織和精確調(diào)度各個(gè)模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)，并運(yùn)用軟件算法對(duì)前級(jí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、計(jì)算和綜合，進(jìn)而得到描繪手部手勢(shì)、姿態(tài)和位置的信息，打包成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀交由通信單元發(fā)送出去。

WIFI通信單元5用于建立手套與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)通聯(lián)。WIFI模塊將手套接入網(wǎng)絡(luò)，從而建立同多個(gè)設(shè)備間的控制通道；此外WIFI模塊也是手套與上位機(jī)6聯(lián)通的途徑之一，在聯(lián)網(wǎng)的情況下，上位機(jī)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式與手套建立數(shù)據(jù)鏈路。

本實(shí)施例的上位機(jī)6由通信模塊、命令執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊組成；通信模塊用于接收解算和控制單元4傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；命令執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)根據(jù)所述網(wǎng)絡(luò)通信模塊收到的手勢(shì)命令，操作虛擬手術(shù)仿真教學(xué)的手勢(shì)交互系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制功能；數(shù)據(jù)傳輸模塊將接收的手部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所能接收的數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)手勢(shì)交互的功能。

為了方便人們使用這款手套開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序體驗(yàn)本發(fā)明，本發(fā)明提供了可以用于Unity 3D的開(kāi)發(fā)包，開(kāi)發(fā)人員可以調(diào)用本發(fā)明提供的接口獲取手部數(shù)據(jù)，從而開(kāi)發(fā)和升級(jí)虛擬手術(shù)仿真應(yīng)用系統(tǒng)。

只需要在手上穿戴配套設(shè)備，就可進(jìn)行手勢(shì)捕獲，從而還原出手部的手勢(shì)、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，對(duì)虛擬手術(shù)仿真教學(xué)的手勢(shì)交互系統(tǒng)進(jìn)行操作，從而進(jìn)行更加真實(shí)的仿真手術(shù)訓(xùn)練和考核，提升訓(xùn)練考核效果。

本發(fā)明提供的一種用于虛擬手術(shù)仿真教學(xué)的手勢(shì)交互方法，包括以下步驟：

步驟1：采集各手指關(guān)節(jié)及拇指和手掌之間彎曲度、手部與超聲波發(fā)射源距離、手部在垂直于手部與超聲波發(fā)射源連線的二維平面位置、手部運(yùn)動(dòng)角速度和三軸加速度；

請(qǐng)見(jiàn)圖1，本實(shí)施例以數(shù)據(jù)手套上的彎曲電阻傳感器陣列7采集手術(shù)過(guò)程中手指的變化信息，采集虛擬手術(shù)過(guò)程中5個(gè)掌指關(guān)節(jié)、5個(gè)指骨關(guān)節(jié)、4個(gè)指頭之間張開(kāi)角度；拇指向手掌貼靠時(shí)候，拇指和手掌之間的角度，采集以上各個(gè)關(guān)節(jié)的彎曲角度，通過(guò)壓力與電阻的變化計(jì)算方法得到電阻值，上述角度由彎曲傳感器的彎曲角度-電阻值曲線得出。以此來(lái)仿真出在虛擬手術(shù)過(guò)程中，操作者操作醫(yī)療器械，手部的細(xì)微動(dòng)作。

以數(shù)據(jù)手套外嵌手部超聲波傳感器測(cè)量虛擬實(shí)體之間的相對(duì)距離的方法，通過(guò)計(jì)算超聲波傳出和返回時(shí)間，可以判斷當(dāng)前手部和上位機(jī)之間的相對(duì)距離，用于輔助定位手部位置的功能。

步驟2：通過(guò)各手指彎曲度數(shù)據(jù)得到手部的姿態(tài)，通過(guò)手部與超聲波發(fā)射源距離、手部在垂直于手部與超聲波發(fā)射源連線的二維平面位置的數(shù)據(jù)得到手部的空間三維坐標(biāo)，通過(guò)手部的運(yùn)動(dòng)角速度和三軸加速度還原手部的運(yùn)動(dòng)，從而計(jì)算出手部的空間三維坐標(biāo)；

本實(shí)施例以手部的運(yùn)動(dòng)角速度和三軸加速度測(cè)量手部運(yùn)動(dòng)速度和路徑的方法。通過(guò)計(jì)算出三維空間的三個(gè)方向加速度的矢量長(zhǎng)度，可以進(jìn)一步獲得一條手部運(yùn)動(dòng)的加速度曲線軌跡?；谌耸植縿?dòng)作的研究可以發(fā)現(xiàn)，人手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不僅有朝向各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，還有以肘部為中心的圓周運(yùn)動(dòng)，可以由此得到手部轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。通過(guò)矢量長(zhǎng)度的變化，可以判斷出目前加速度的方向，通過(guò)和上一次保存的加速度方向進(jìn)行比較，如方向發(fā)生了變化，計(jì)算出三個(gè)方向上對(duì)時(shí)間的一次積分，就可以得到當(dāng)前速度的大小，進(jìn)行二次積分就可以得到運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)綜合彎曲度數(shù)據(jù)得到手部的手勢(shì)，通過(guò)手部的運(yùn)動(dòng)角速度和三軸加速度還原手部的運(yùn)動(dòng)，從而計(jì)算出手部的三維坐標(biāo)，再加上輔助測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而精準(zhǔn)地還原出手部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

步驟3：對(duì)步驟2中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而精準(zhǔn)地還原出手部狀態(tài)。

利用卡爾曼濾波對(duì)步驟2中得到的手部的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后在利用值濾波算法對(duì)步驟2中得到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行；

卡爾曼濾波是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過(guò)系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。能有效遏制噪聲和干擾對(duì)結(jié)果的影響，非常適用于處理慣性測(cè)量設(shè)備的測(cè)量結(jié)果。

程序中采用了卡爾曼濾波理論中的五個(gè)基本方程，通過(guò)定時(shí)器中斷不斷對(duì)濾波結(jié)果和濾波器參數(shù)進(jìn)行迭代更新。從而可以時(shí)刻根據(jù)當(dāng)前陀螺儀和加速度計(jì)的輸出融合得到“最佳”的角度估計(jì)。

算法過(guò)程如下：

①根據(jù)當(dāng)前得到的角速度G在上一時(shí)刻角度A(n-1)的基礎(chǔ)上積分再減去誤差q進(jìn)而得到此刻的角度估計(jì)An。

②計(jì)算并更新濾波器的參數(shù)之一——協(xié)方差矩陣。

其中方差D(A(n))在實(shí)際工作中變化不大，因此在實(shí)際計(jì)算時(shí)可用慣性測(cè)量單元調(diào)試時(shí)得到的方差代替，在程序中視為常數(shù)。

③得到協(xié)方差矩陣后，接下來(lái)計(jì)算并更新卡爾曼濾波器的又一重要參數(shù)——卡爾曼增益P。其中R為慣性測(cè)量單元的固有測(cè)量誤差，可在調(diào)試時(shí)測(cè)得，在程序中作為常數(shù)參與計(jì)算。

④進(jìn)一步，根據(jù)之前計(jì)算出來(lái)的各個(gè)值得出最終認(rèn)為“最接近真實(shí)”的角度值，即濾波結(jié)果X(k|k)。在此之前，已經(jīng)得到了公式中除Z(k)以外的所有項(xiàng)的值。而Z(k)，指的是角速度計(jì)測(cè)出的角度A'與上一時(shí)刻得出的濾波結(jié)果之差，即Z(k)＝A'-A。至此，就得到了經(jīng)卡爾曼濾波算法融合后的結(jié)果，并可送下一級(jí)模塊做處理

⑤最后，根據(jù)卡爾曼濾波理論的要求，還需要用剛剛得到的融合結(jié)果做“負(fù)反饋”，即更新卡爾曼濾波器的協(xié)方差矩陣。

以上五步完成后，輸出融合結(jié)果，退出中斷程序，等待下一次中斷到來(lái)，然后重復(fù)以上運(yùn)算。至此，整個(gè)卡爾曼濾波算法執(zhí)行完成，得到了可以置信的慣性測(cè)量數(shù)據(jù)。

此外為了進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的可信性，排除因偶然因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成干擾，對(duì)于經(jīng)卡爾曼濾波融合后的慣性測(cè)量單元的數(shù)據(jù)和其他所有傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)用中值濾波算法進(jìn)行進(jìn)一步處理。這一濾波算法對(duì)于因偶然因素造成的單次數(shù)據(jù)誤差，即所謂“椒鹽噪聲”具有極佳效果。在本實(shí)施例的應(yīng)用環(huán)境下出現(xiàn)的絕大多數(shù)噪聲屬于此類(lèi)噪聲。本實(shí)施例針對(duì)不同類(lèi)型的傳感器，綜合考慮測(cè)量速率和噪聲處理的要求，采用三階與五階中值濾波器，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，達(dá)到了良好的噪聲抑制效果。

本實(shí)施例采用開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Thread來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解算和控制單元。

本實(shí)施例對(duì)RT-Thread的改進(jìn)和擴(kuò)充主要有五點(diǎn)：

①改進(jìn)RT-Thread系統(tǒng)內(nèi)核原有的Serial子系統(tǒng)，使得該子系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程并發(fā)讀寫(xiě)，同時(shí)新增了Serial子系統(tǒng)對(duì)中斷的支持，使得處理器無(wú)需親自處理緩慢的串行通信，極大提升了軟件系統(tǒng)的執(zhí)行效率；

②改進(jìn)RT-Thread系統(tǒng)內(nèi)核的同步互斥單元，增強(qiáng)了容錯(cuò)性，針對(duì)在同步互斥單元初始化前調(diào)用同步互斥相關(guān)函數(shù)的情況進(jìn)行了處理，一方面保證了系統(tǒng)的正常執(zhí)行和同步互斥單元的正常初始化，另一方面避免了原系統(tǒng)中在這種情況下產(chǎn)生的死鎖問(wèn)題；

③擴(kuò)充了RT-Thread系統(tǒng)內(nèi)核定時(shí)器的功能，增加了改變內(nèi)核定時(shí)器超時(shí)時(shí)間并立即生效的控制命令，用于本實(shí)施例改進(jìn)的Serial和新增的內(nèi)核子系統(tǒng)中，以滿足開(kāi)發(fā)要求；

④擴(kuò)充了針對(duì)所用平臺(tái)和傳感器設(shè)備的IIC子系統(tǒng)，在原有的僅支持硬件IIC控制器的IIC子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新增了對(duì)軟件模擬IIC時(shí)序通信的支持。這使得本實(shí)施例可以在硬件IIC資源有限的情況下通過(guò)軟件模擬方式掛載大量的同類(lèi)型IIC設(shè)備。同時(shí)，新的IIC子系統(tǒng)效率極高，在使用軟件模擬時(shí)序的條件下仍能保證IIC總線的讀寫(xiě)速率，達(dá)到了傳感器的硬件支持的最大速率。此外，新的IIC子系統(tǒng)還支持多個(gè)進(jìn)程對(duì)同一個(gè)傳感器進(jìn)行高速的并發(fā)讀寫(xiě)，保證了整個(gè)軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；

⑤在內(nèi)核層面增加了對(duì)WIFI網(wǎng)絡(luò)的支持，封裝了系統(tǒng)中采用的WIFI硬件設(shè)備，一方面向上層提供linux風(fēng)格的網(wǎng)絡(luò)接口，便于上層實(shí)現(xiàn)直接調(diào)用接口進(jìn)行快速通信。另一方面利用內(nèi)核程序執(zhí)行高效的特點(diǎn)，保證了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

本實(shí)施例以Unity3D引擎為基礎(chǔ)，編寫(xiě)了開(kāi)發(fā)庫(kù)便于其他開(kāi)發(fā)人員使用本實(shí)施例的數(shù)據(jù)手套。用戶就可以調(diào)用本實(shí)施例的接口庫(kù)來(lái)獲取手套發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)其他功能。

經(jīng)本實(shí)施例改進(jìn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、易用性、健壯性、功能完整性方面均達(dá)到較高水準(zhǔn)，完全滿足了本實(shí)施例的設(shè)計(jì)要求。

盡管本說(shuō)明書(shū)較多地使用了手勢(shì)傳感單元1、慣性測(cè)量單元2、輔助測(cè)量單元3、數(shù)據(jù)解算和控制單元4、WIFI通信單元5、上位機(jī)6、彎曲電阻傳感器陣列7、運(yùn)放跟隨裝置8、六軸慣性測(cè)量傳感器9、超聲波發(fā)射模塊10和超聲波接收模塊11等術(shù)語(yǔ)，但并不排除使用其他術(shù)語(yǔ)的可能性。使用這些術(shù)語(yǔ)僅僅是為了更方便的描述本發(fā)明的本質(zhì)，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說(shuō)明書(shū)未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。