Kinematic measurements of the human head during virtual reality gaming

Abstract

This thesis focuses on designing and implementing a set of tests for the motion of the human head while using virtual reality glasses. The thesis was executed by using an 3-axis gyroscope, 3-axis accelerometer and virtual reality glasses attached to the head of the test subject.

The testing system consisted of a InvenSense ICM-20601 gyroscope and accelerometer sensor evaluation board and a separate PC controlled INV-ARM connection plate. The testing system was controlled with Data logger -software. Measurements about typical head movements in a virtual reality gaming were implemented by using the testing system session and a final series of movement tests that repeated the most common movements that had occured.

Real physical values such as angular velocity in units of radians per second and the linear acceleration in units of g-values were calculated from the raw data values which were obtained from the measurements. The next step was to define the angular acceleration and the extreme angles in every axis. At the end of the work the collected values were edited into graphical representations from which the relevant conclusions were made.

As a result, this thesis gives a comprehensive understanding of accelerometer and gyroscope sensors, as well as the motions and velocities generated by the human head. This thesis was done for a company called Afore Oy which is a manufacturer of sensor test equipment. The results are to be used as reference material for the human motion simulator development.

Työssä suunniteltiin ja toteutettiin mittaussarja pään liikkeiden yleisimpien liikkeiden mallintamiseen virtuaalitodellisuuslaseja käytettäessä. Työ toteutettiin päähän kiinnitetyn kolmiakselisen gyroskooppi- ja kiihtyvyysanturin sekä virtuaalilasien avulla.

Testausjärjestelmä koostui InvenSensen ICM-20601 kiihtyvyys- ja kulmanopeusanturista ja erillisestä INV-ARM -liitäntälevystä, jota ohjattiin tietokoneen Data Logger -ohjelmistolla. Testausjärjestelmällä mitattiin pelitilanteen aikana tapahtuvaa pään liikettä sekä näiden pohjalta tehtyä testiliikesarjaa, jossa toistettiin useimmin tapahtuneet liikkeet.

Näistä tuloksena saadut arvot muutettiin ohjelman syöttämästä raakadata-arvosta varsinaisiksi yksiköiksi, joita olivat kulmanopeus radiaaneina sekunnissa sekä lineaarinen kiihtyvyys g-arvoina. Lopuksi kulmanopeudesta määritettiin kulmakiihtyvyys ja maksimikulmat. Viimeiseksi valmiit tulokset muokattiin kuvaajiksi ja niistä esitettiin johtopäätökset.

Lopputuloksena työssä saatiin kattava käsitys kiihtyvyys ja kulmanopeusanturien toiminnasta, sekä ihmisen pään tuottamista liikeradoista ja nopeuksista. Työ toteutettiin anturien testauslaitteita valmistavalle Afore Oy:lle, ja työn tuloksia on tarkoitus käyttää tulevaisuudessa pohjatietona yrityksen mittauslaitteistojen kehitystyössä.