物聯(lián)網(wǎng)大賽作品

1、基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)手套團隊名稱：未來之光九隊第一導(dǎo)師：李桃第二導(dǎo)師：韓晶晶隊長：張震隊員1：侯凱隊員2：鞏大利隊員3：崔瑜誠信承諾申明本參賽隊全體隊員及指導(dǎo)教師已認(rèn)真閱讀全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽章程關(guān)于競賽作品的知識產(chǎn)權(quán)之全部條款，鄭重申明，在參加全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽時所呈交的競賽作品及作品設(shè)計文檔均為參賽隊員在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨立完成。盡本參賽隊所知，競賽作品及作品設(shè)計文檔中，除特別加以標(biāo)注的部分外，不存在侵犯第三方知識產(chǎn)權(quán)的內(nèi)容。競賽作品及作品設(shè)計文檔并非由參加其他競賽之作品及作品設(shè)計文檔未經(jīng)改動直接參賽；如作品確參加過其他競賽的，本參賽隊承諾參加本次比賽之作品已經(jīng)過較大改動。 指導(dǎo)教師簽

2、名： 李桃 韓晶晶 日期： 2016 年 5 月 28 日設(shè)計作品名稱數(shù)據(jù)手套摘 要 數(shù)據(jù)手套是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互設(shè)備之一，數(shù)據(jù)手套的應(yīng)用對于虛擬制造非常重要。研究數(shù)據(jù)手套的功能和原理,設(shè)計了一種面向虛擬制造的數(shù)據(jù)手套交互控制模塊。 本論文主要介紹了基于無線數(shù)據(jù)傳輸和處理的數(shù)據(jù)手套，該數(shù)據(jù)手套采用以ARM Cortex-M4處理器，通過對手勢數(shù)據(jù)的采集及處理，從而實現(xiàn)其所對應(yīng)的功能。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)手套；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；數(shù)據(jù)采集；ARM Cortex-M4處理器目 錄摘 要I第一章設(shè)計需求分析11.1設(shè)計需求11.2設(shè)計思路1第二章 特色與創(chuàng)新22.1 設(shè)計特色22.2 設(shè)計創(chuàng)新2第三章 功能規(guī)

3、劃1第四章 硬件組成4第五章 軟件架構(gòu)和開發(fā)環(huán)境65.1 虛擬現(xiàn)實與數(shù)據(jù)手套65.1.1 虛擬現(xiàn)實65.1.2 數(shù)據(jù)手套75.2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能以及應(yīng)用7第六章數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用96.1 虛擬現(xiàn)實的技術(shù)的組成96.2 數(shù)據(jù)手套實現(xiàn)的一般機理96.3 虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)96.3.1動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)96.3.2實時三維圖形系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)106.3.3傳感器技術(shù)106.4開發(fā)和系統(tǒng)集成技術(shù)工具10參考文獻11第一章 設(shè)計需求分析1.1設(shè)計需求為了能讓用戶體驗到真實物體的移動和反應(yīng)，能夠探測出所模擬物體、模型的表面密度、水含量、磁場強度、光照強度和振動強度等而研制出的數(shù)據(jù)手套。在醫(yī)療和機器人

4、領(lǐng)域，數(shù)據(jù)手套/力反饋手套也用于虛擬遠(yuǎn)程機械手控制和遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面。1.2設(shè)計思路智能手套可通過指套部分的幾個個柔性傳感器來收集信息。當(dāng)使用者在手語交流時彎曲手指，傳感器所檢測到的數(shù)據(jù)便會被發(fā)送到一個串行監(jiān)視器，而手套內(nèi)置的加速度計則可以檢測到手掌的方向。隨后，手套所內(nèi)置的算法會將這些數(shù)據(jù)翻譯成文字并將其顯示在屏幕上。智能手套所應(yīng)用的非接觸性技術(shù)，當(dāng)前存在的非接觸性卡的讀卡器不必經(jīng)過修改就可與手套兼容。第二章 特色與創(chuàng)新2.1 設(shè)計特色有關(guān)智能可穿戴設(shè)備，通常來說，只要是在日常生活當(dāng)中能被穿戴在身上的，包括帽子，手套，衣服等等都可以算到這個概念當(dāng)中去。而根據(jù)外媒的報導(dǎo)。智能手套也許在人機接口領(lǐng)

5、域能夠擁有較大的發(fā)展?jié)摿?，可以幫助人們擺脫操作桿或鼠標(biāo)。當(dāng)然，如何使其變得在使用時更加方便，并且操作起來更加直觀和自然就成了需要解決的問題。從外形上來看，它有些像足球比賽當(dāng)中守門員所佩戴的手套，然而在它的外表下隱藏著各種各樣的零件，使它和一般的守門員手套或冬天滑雪時佩戴的手套又有很大的不同之處。它可以通過不同的手勢來對一些設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制，包括電腦。當(dāng)相關(guān)的配套系統(tǒng)根據(jù)光學(xué)追蹤軟件檢測到動作之后，就會根據(jù)這些動作發(fā)出相應(yīng)的指令從而進行遠(yuǎn)程控制。并且，在做這些動作或運動的時候，手套會根據(jù)產(chǎn)生的動能自動的進行充電，也正是基于此，這款手套是無需另外去刻充電，這樣一來就會節(jié)省很多麻煩。2.2 設(shè)計創(chuàng)新

6、 現(xiàn)階段的數(shù)據(jù)手套主要不足有：手套主體部分容易受用戶手尺大小影響,應(yīng)用過程中需要重新校正防止手套與手指之間滑動帶來的誤差,另外就是傳感器的的疲勞問題，如：光纖傳感器使用時間過長導(dǎo)致精度下降或折斷。本論文所研究的作品就這兩方面的問題進行了優(yōu)化：本作品主體部分采用彈性纖維材質(zhì)的手套作為載體，解決了不同人手尺寸的問題，各個結(jié)點及其所連接的導(dǎo)線都固定于手套上，解決了校正的問題。該作品采用的是結(jié)點感應(yīng)，通過結(jié)點的狀態(tài)判斷人手的動作，代替了條狀的傳感器，解決了傳感器疲勞的問題，同時也降低了制作的成本。第三章 功能規(guī)劃智能手套所應(yīng)用的非接觸性技術(shù)，當(dāng)前存在的非接觸性卡的讀卡器不必經(jīng)過修改就可與手套兼容。手套

7、中植入微型非接觸性芯片，可以與信用卡或借記卡相連，用于購買20英鎊(約合人民幣195元)以下的商品，無需輸入PIN碼?？纱┐骷夹g(shù)正蓬勃發(fā)展，消費者希望這些設(shè)備更容易穿戴、更時尚，以及擁有更多功能。近年來日益受歡迎，目前英國有4500萬張非接觸性卡流通，30萬個場所可以使用非接觸性支付方式付賬。手套還有觸屏功能，購物者可戴著手套使用手機。特色與創(chuàng)新，因此若有了智能手套，發(fā)展前景不可估量?？梢詰?yīng)用于多種領(lǐng)域，金融業(yè)，而金融業(yè)涉及太多領(lǐng)域，超市銀行，大小城市都有，若是過節(jié)高峰期，這些智能手套可以減少不必要的麻煩。農(nóng)業(yè)，畜牧業(yè)，教育界，醫(yī)學(xué)界，虛擬世界，都離不開這種手套。所以有著很大的發(fā)展前景與市場。

8、2014年11月份，全英房屋抵押貸款協(xié)會宣布，客戶可下載Android手機銀行應(yīng)用，然后通過Android Wear智能手表查詢賬戶余額。此外，客戶也可以對智能手表進行設(shè)定，每天向他們通報賬戶中還有多少資金。也許在將來，用它打游戲秀操作也是一個不錯的選擇。數(shù)據(jù)手套作為一致虛擬的手將被應(yīng)用于3D虛擬現(xiàn)實場景的模擬交互中，可以識別人手的多種動作，從而實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的互動。更高級的數(shù)據(jù)手套可以滿足人們更高的需求，如：機器人系統(tǒng)、操作外科手術(shù)、虛擬裝備訓(xùn)練、手語識別系統(tǒng)、動畫制作、動作捕捉、教育娛樂、機器人技術(shù)、動作捕捉、虛擬現(xiàn)實、創(chuàng)新游戲、復(fù)原、以及對殘障人士的輔助等。第四章 硬件組成該作品用彈性纖

9、維手套作為主要載體，將傳感器接在指關(guān)節(jié)處用來接受手指的狀態(tài)，在手套背部連接一個三軸加速度傳感器，當(dāng)檢測到做出手勢時，然后鎖定3秒鐘，做出相應(yīng)的判斷和功能，本作品的核心部分就是ARM Cortex-M4處理器，它是對數(shù)據(jù)接收和處理的中樞，是實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實交換的關(guān)鍵部分。1、 手套載體：手套能夠很好的跟蹤人手的每個關(guān)節(jié)，并且精確的捕捉人手的動作。它可以像皮膚一樣貼合手部，并不限制人手的動作范圍：你可以帶著手套打字或者做其他事。用手套甚至可以不需要鍵盤，用戶可以在任何平面打字。如下圖：圖一 手套載體2、傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點是采用自組織方式進行組網(wǎng)以及利用無線通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的，節(jié)點都具有數(shù)據(jù)采集

10、與數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)發(fā)雙重功能。如下圖：圖二 傳感器節(jié)點3、 ARM Cortex-M4的處理器ARMCortex-M4處理器是由ARM專門開發(fā)的最新嵌入式處理器，在M3的基礎(chǔ)上強化了運算能力，新加了浮點、DSP、并行計算等，用以滿足需要有效且易于使用的控制和信號處理功能混合的數(shù)字信號控制市場。其高效的信號處理功能與Cortex-M處理器系列的低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點的組合，旨在滿足專門面向電動機控制、汽車、電源管理、嵌入式音頻和工業(yè)自動化市場的新興類別的靈活解決方案。如下圖：圖三 基于ARM Cortex-M4的處理器4、 三軸加速傳感器：三軸加速度傳感器大多采用壓阻式、壓電式和電容式工作原理

11、，產(chǎn)生的加速度正比于電阻、電壓和電容的變化，通過相應(yīng)的放大和濾波電路進行采集。這個和普通的加速度傳感器是基于同樣的原理，所以在一定的技術(shù)上三個單軸就可以變成一個三軸。對于多數(shù)的傳感器應(yīng)用來看，兩軸的加速度傳感器已經(jīng)能滿足多數(shù)應(yīng)用。但是有些方面的應(yīng)用還是集中在三軸加速度傳感器中例如在數(shù)采設(shè)備，貴重資產(chǎn)監(jiān)測，碰撞監(jiān)測，測量建筑物振動,風(fēng)機,風(fēng)力渦輪機和其他敏感的大型結(jié)構(gòu)振動。如下圖圖四 三軸加速傳感器第五章 軟件架構(gòu)和開發(fā)環(huán)境5.1 虛擬現(xiàn)實與數(shù)據(jù)手套5.1.1 虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,簡稱VR)技術(shù)是近年來最熱門的研究領(lǐng)域之一，有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景，受到各

12、界、尤其是軍方的青睞。在虛擬的現(xiàn)實中,人們利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數(shù)據(jù)服、立體聲耳機、數(shù)據(jù)手套及腳踏板等多維輸入輸出設(shè)備通過傳感器裝置與計算機生成的三維虛擬環(huán)境交互作用,可獲視覺、聽覺、觸覺等多種感知反饋,并按照自己的意愿去實時地改變虛擬環(huán)境。本文使用VR技術(shù)示意圖，如圖所示：標(biāo)志人體各類信息的信號量傳感器件動 作人虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)傳遞視覺、觸覺、聲音等直觀信號（計算機軟硬件）感 覺圖五 VR技術(shù)示意圖5.1.2 數(shù)據(jù)手套手是人與外界進行物理接觸及意識表達的主要媒介。當(dāng)人與計算機控制系統(tǒng)進行交互操作時,傳統(tǒng)的輸入輸出接口設(shè)備,如鍵盤、鼠標(biāo)等只能限制手在桌面上或一個小區(qū)域內(nèi)進行簡單的運動控制,而表

13、達意識的大多數(shù)手的自然運動被犧牲了,妨礙了人們對系統(tǒng)控制意識表達的全面性與靈活性。因此，一種基于VR技術(shù)的應(yīng)用誕生了數(shù)據(jù)手套。數(shù)據(jù)手套可以跟蹤操作者靈活多變的手勢及空間方位,使操作者自然而然地將自己的意識傳送至計算機。因此數(shù)據(jù)手套作為一種重要的人機交互接口,廣泛地應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實的研究領(lǐng)域中。5.2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能以及應(yīng)用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按其功能高低大體分為4類:一是桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),也稱窗口中的VR。它主要在臺式計算機上實現(xiàn),所以成本低,功能也最簡單,主要用于CAD、CAM、建筑設(shè)計、桌面游戲等領(lǐng)域。二是沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),如各種用途的體驗器,使人有身臨其境的感覺,各種培訓(xùn)、演示以及高級游戲等用

14、途均可用這種系統(tǒng)。三是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),它在因特網(wǎng)環(huán)境下,充分利用分布于各地的資源,協(xié)同開發(fā)各種虛擬現(xiàn)實的利用。它通常是沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展,也就是把分布于不同地方的沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),通過因特網(wǎng)連接起來,共同實現(xiàn)某種用途。美國大型軍用交互仿真系統(tǒng)NPSNET以及因特網(wǎng)上多人游戲MUD便是這類系統(tǒng)。四是增強現(xiàn)實或混合現(xiàn)實系統(tǒng)。它是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來的一種系統(tǒng),既可減少構(gòu)成復(fù)雜真實環(huán)境的開銷,又可對實際物體進行操作,真正達到了亦真亦幻的境界,是今后的發(fā)展方向之一。第六章數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用6.1 虛擬現(xiàn)實的技術(shù)的組成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中包括人件(HumanWare) 、媒體件(MediaWar

15、e) 、數(shù)據(jù)件(DataWare)和網(wǎng)絡(luò)件(NetworkWare) 4部分。人是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的“核心”,人能與虛擬世界對話,體驗虛擬世界的臨境感,人的參與使虛擬現(xiàn)實更為重要。媒體件將從聽覺、視覺和觸覺得到的信息加以綜合,并以和諧的形式進行反饋處理。數(shù)據(jù)件和網(wǎng)絡(luò)件是指在虛擬現(xiàn)實中需要進行雙向會話和數(shù)據(jù)交流,必須依賴面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等基礎(chǔ)設(shè)施。6.2 數(shù)據(jù)手套實現(xiàn)的一般機理數(shù)據(jù)手套是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的重要組成部分,是一種通用的人機接口,其直接目的在于實時獲取人手的動作姿態(tài),以便在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)人手動作,達到理想的人機交互目的。數(shù)據(jù)手套實現(xiàn)的關(guān)鍵在于手掌、手指及手腕的各個有效部位的彎曲、外展

16、等測量以及在此基礎(chǔ)上的姿態(tài)的反演。完成反演主要取決于人體手部姿態(tài)的建模,最根本的就是,確定傳感器測量數(shù)據(jù)和手部各關(guān)節(jié)運動姿態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。6.3 虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)手套實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面:6.3.1動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心內(nèi)容。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù),并根據(jù)應(yīng)用的需要,利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型，以求有真實感。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD 技術(shù)(有規(guī)則的環(huán)境) ,而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù),兩者的有機結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。6.3.2實時三維圖形系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)利用實時三維圖形系統(tǒng),

17、可以生成有逼真感的圖形,圖像具有三維全彩色、明暗、紋理和陰影等特征。虛擬現(xiàn)實是一種交互式和先進的計算機顯示技術(shù),雙向?qū)υ捠撬囊环N重要工作方式,為虛擬環(huán)境提供了一種新的人機接口。6.3.3傳感器技術(shù)虛擬現(xiàn)實的交互能力,例如,顯示以及拾取技術(shù),均依賴于傳感器技術(shù)的發(fā)展。而現(xiàn)有的傳感器的精度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要。例如,數(shù)據(jù)手套的專用傳感器就存在工作頻帶窄、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺陷,因而尋找和制作新型、高質(zhì)量的傳感器變成了該領(lǐng)域的首要問題。6.4開發(fā)和系統(tǒng)集成技術(shù)工具虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象,即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。為了達到這一目的,必須研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具。例如,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)平臺、分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)等。由于虛擬現(xiàn)實中包括大量的感知信息和模型,因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別和合成技術(shù)等等。參考文獻1 曾芬芳,梁柏林,劉鎮(zhèn),王建華;基于數(shù)據(jù)手套的人機交互環(huán)境設(shè)計J;2 王智, 潘強, 邢濤. 面向物聯(lián)網(wǎng)的實體實時搜索服務(wù)綜述D.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所.