連續(xù)超聲波位置跟蹤器的設(shè)計原理及其在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的應(yīng)用實現(xiàn)

位置跟蹤器是虛擬現(xiàn)實和其它人機(jī)實時交互系統(tǒng)中最重要的輸入設(shè)備之一，它實時地測量用戶身體或其局部的位置和方向并作為用戶的輸入信息傳遞給虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主控計算機(jī)，從而根據(jù)用戶當(dāng)前的視點信息刷新虛擬場景的顯示.基于連續(xù)調(diào)幅超聲波相位差相干測距方法實現(xiàn)快速、高分辨率的動/靜態(tài)方法測量的原理，本文著重闡述了以連續(xù)超聲波相位差相干測量法實現(xiàn)三維動態(tài)位置測量的原理、系統(tǒng)設(shè)計、實驗結(jié)果，并利用上述跟蹤器研究了具有三維實時交互控制能力的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)樣機(jī).
　　關(guān)鍵詞:位置跟蹤器；超聲波測距器；虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；虛擬場景

Design of Position Tracker Using Continuous Ultrasonic Wave and Its Application in Virtual Reality

HUA Hong,WANG Yong-tian,CHANG Hong
(Dept.of Opto-Electronics Engineering,Beijing Institute of Technology,P.O.Box 327,Beijing 100081,China)

　　Abstract:Position tracker is one of the most critical input devices for human-machine interface utilities in virtual reality and other human-machine interaction systems.It determines the position and orientation of an object of interest (such as the user's head) and passes the information to the host computer in real time,which redraws the virtual world on the basis of the current visual point of the user.A dynamic position tracker based on continuous amplitude-modulated ultrasonic wave is developed by means of the interferometric techniques.Its principles,technical implementation and experimental results are discussed.A prototype virtual reality system using the ultrasonic position tracker as an input device is also constructed and presented in the paper.
　　Key words:position tracker;ultrasonic rangefinder;virtual reality system;virtual world

一、引　　言
　　靈境技術(shù)，又稱“虛擬現(xiàn)實”(Virtual Reality,簡稱VR)，是80年代在美國等科技先進(jìn)國家發(fā)展起來的一項新技術(shù)，是以浸沒感、交互性和構(gòu)想為基本特征的高級人機(jī)界面，它綜合計算機(jī)仿真技術(shù)、圖像處理與模式識別技術(shù)、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器等電子技術(shù)模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感官功能，使人能夠沉浸在計算機(jī)創(chuàng)造的虛擬場景中，并能夠通過多種感官渠道與虛擬世界的多維化信息環(huán)境進(jìn)行實時交互［1］.
　　從廣義上講，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由虛擬場景發(fā)生器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成.用于VR系統(tǒng)的輸入設(shè)備分為兩大類：交互設(shè)備和方位跟蹤設(shè)備.交互設(shè)備使得用戶在虛擬境界中漫游時能操縱虛擬物體，而方位跟蹤設(shè)備可以實時地測量并跟蹤用戶身體或其局部的物理位置和方向，使得他能夠在虛擬境界中漫游［1］.由此可見方位跟蹤設(shè)備是創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ).
　　在VR技術(shù)中，目前有機(jī)電式、電磁式、聲學(xué)式、光電式和慣性式五種常用的方位跟蹤器［2］，其中以Polhemus Inc.和Asension Technology Corporation兩家公司的電磁跟蹤器和Logitech公司的超聲波跟蹤器最為著名，但這些產(chǎn)品不僅價格昂貴，而且存在著一些明顯不足之處.例如電磁跟蹤器對應(yīng)用環(huán)境的電磁特性有苛刻的要求.Logitech的超聲波跟蹤器克服了電磁跟蹤器的上述缺點，但它采用的T.O.F(Time of Flight)方法［3］雖然具有原理簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，但方位刷新頻率受到脈沖傳播時間的限制，在有六個測量通道、2m測量范圍的條件下，方位刷新頻率僅為二十幾Hz,這樣的刷新頻率不能滿足虛擬現(xiàn)實頭盔顯示器系統(tǒng)中對方位跟蹤器的要求，另外，多通道的距離數(shù)據(jù)非同步獲取，在目標(biāo)連續(xù)運動的情況下，必然給測量結(jié)果帶來較大誤差［4，5］.
　　為了克服T.O.F方法的缺點，本文利用連續(xù)超聲波相位差測距原理實現(xiàn)多通道同步測量，刷新頻率不再受聲波傳播時間的制約，多通道測量結(jié)果是同步相干數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高分辨率的動/靜態(tài)方位測量.再結(jié)合聲學(xué)式跟蹤器具有干擾源少、測量精度較高以及研制成本低等突出優(yōu)點，因而在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套)、機(jī)器人技術(shù)、武器系統(tǒng)、人機(jī)交互設(shè)備(如3D鼠標(biāo))等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.

二、跟蹤器原理
　　1.位置測量原理
　　根據(jù)剛體動力學(xué)的分析［6］，能夠用運動物體上參考點的坐標(biāo)表示該物體的位置坐標(biāo)，并通過測量該參考點到空間三個靜止的非共線點之間的距離唯一確定.
　　設(shè)在靜止參考坐標(biāo)系Cξηζ中，T是運動物體上的參考點，其位置坐標(biāo)用T(Tξ,Tη,Tζ)表示，R1、R2和R3是分布在邊長為2a的等邊三角形頂點處的三個非共線固定點，它們與參考坐標(biāo)系的關(guān)系如圖1所示，等邊三角形的重心與原點C重合，三角形所在平面與Cζ軸垂直，CR1與Cη軸重合，R2R3與Cξ軸平行，它們的空間坐標(biāo)依次為R1(0,2a/3,0)、R2(-a,-a/3,0)和R3(a,-a/3,0).

圖1　參考點的分布示意圖 　　設(shè)點T到R1、R2和R3三點的距離分別為L1、L2和L3，如圖1所示，則可列出以下方程組： 　(1) 求得T的位置坐標(biāo)為： 　(2) 　　由此可以推知，當(dāng)在T點固定超聲波發(fā)射器，在R1、R2和R3處分別固定超聲波接收器，根據(jù)發(fā)射信號與接收信號之間的相位關(guān)系分別測量三個接收器和發(fā)射器之間的距離［7，8］，將測量所得到的距離和接收器的分布參數(shù)代入式(2)即可求出發(fā)射器的三維位置坐標(biāo)，即運動物體的位置坐標(biāo).由于超聲波測距系統(tǒng)的快速響應(yīng)特征，通過一定采樣頻率的連續(xù)測量即可實現(xiàn)運動物體位置坐標(biāo)的快速動態(tài)測量. 　　2.接收器分布邊長2a的設(shè)計原理 　　根據(jù)前面的位置測量原理分析，接收器的分布邊長2a是一個至關(guān)重要的設(shè)計參數(shù)，在其它系統(tǒng)參數(shù)相同的情況下，它直接影響到坐標(biāo)分辨率和測量誤差的大小.分析表明，分布邊長2a與測距單元的測量范圍、測量精度、傳感器的發(fā)散錐角等物理參數(shù)以及用戶對坐標(biāo)測量系統(tǒng)的測量范圍、分辨率和精度的要求密切相關(guān)，設(shè)換能器的發(fā)散角為α，測距單元的距離測量范圍為要求發(fā)射器最大測量高度滿足hmaxH，坐標(biāo)分辨率滿足誤差滿足，則2a應(yīng)該分別滿足式(3)～(6) 　(3) 　(4) 2a2dLmax/ε　(5) 2adLmax/δ　(6) 上一頁 1 2 3 4 下一頁 關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實 系統(tǒng) 應(yīng)用 實現(xiàn) 及其 原理 超聲波 位置 跟蹤 評論 我來說兩句…… 驗證碼： 相關(guān)推薦 大家在互相借鑒吧!--嵌入式系統(tǒng)詞匯表 jackwang | 2002-05-14 模擬電路PWM的實現(xiàn) 設(shè)計方案 模擬 電路 實現(xiàn) | 2009-07-06 大家在互相借鑒吧!--嵌入式系統(tǒng)詞匯表 jackwang | 2002-05-14 超聲波測距系統(tǒng) 視頻 信息技術(shù)大賽 單片機(jī) STC15F2K61S2 超聲波 | 2013-01-05 大家在互相借鑒吧!--嵌入式系統(tǒng)詞匯表 jackwang | 2002-05-14 用ADuC812設(shè)計超聲波非接觸液位計 資源下載 ADI ADuC812芯片 液位計 超聲波 非接觸 | 2007-02-16 蘋果 iOS 18 / macOS 15 預(yù)計升級設(shè)置應(yīng)用：重整布局、簡化導(dǎo)航、增強(qiáng)搜索 手機(jī)與無線通信 蘋果 iOS 18 系統(tǒng) | 2024-06-03 C6474多核處理器在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域 視頻 TI C6474 TMS320C6474 多核 超聲波 | 2009-03-24 美光低功耗內(nèi)存解決方案助力高通第二代驍龍XR2平臺提升混合現(xiàn)實(MR)與虛擬現(xiàn)實(VR)體驗 消費電子 美光 低功耗內(nèi)存 XR2平臺 混合現(xiàn)實 MR 虛擬現(xiàn)實 VR | 2023-10-31 威格勒U2GT全金屬超聲波傳感器，食品和衛(wèi)生領(lǐng)域的解決方案 物聯(lián)網(wǎng)與傳感器 威格勒 超聲波 傳感器 食品衛(wèi)生 | 2023-10-26 多功能盲人拐杖 視頻 信息技術(shù)大賽 單片機(jī) stc15f2k61s2 傳感器 超聲波 語音芯片 ISD4004 | 2013-01-11 Mark Gurman：蘋果計劃為未拆封的iPhone新機(jī)提供最新系統(tǒng) 手機(jī)與無線通信 Mark Gurman 蘋果 iPhone 系統(tǒng) | 2023-10-16 基于雙輪自平衡的智能控制機(jī)器人設(shè)計 視頻 信息技術(shù)大賽 ARM Freescale MK10DN512ZVLL10 超聲波 | 2013-01-06 步進(jìn)電機(jī)小知識 資源下載 步進(jìn)電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動 應(yīng)用 | 2007-12-16 特斯拉司機(jī)戴蘋果頭顯開車視頻瘋傳，引美政府關(guān)注 消費電子 特斯拉 蘋果 頭顯 虛擬現(xiàn)實 高級駕駛輔助系統(tǒng) | 2024-02-06 村田超聲波傳感器MA300D1-1 物聯(lián)網(wǎng)與傳感器 村田 傳感器 超聲波 | 2024-04-12 集成運放F007基本應(yīng)用電路 設(shè)計方案 集成 運放 基本 應(yīng)用 電路 | 2009-07-06 大家在互相借鑒吧!--嵌入式系統(tǒng)詞匯表 jackwang | 2002-05-14 嵌入式操作系統(tǒng)大比拼 jackwang | 2002-05-13 青島百億元虛擬現(xiàn)實整機(jī)和光學(xué)模組項目全面交付 消費電子 光學(xué)模組 虛擬現(xiàn)實 | 2023-10-12 低功耗毫米波雷達(dá)在泊車輔助應(yīng)用中優(yōu)于超聲波的原因 汽車電子 毫米波雷達(dá) 泊車輔助 超聲波 | 2023-11-17 達(dá)林頓管的典型應(yīng)用電路 設(shè)計方案 達(dá)林頓 典型 應(yīng)用 電路 | 2009-07-06 通過虛擬現(xiàn)實：讓我們對危險更敏感 消費電子 虛擬現(xiàn)實 VR 工業(yè) 安全 | 2024-04-03 超聲波清洗器電路圖 資源下載 超聲波 清洗器 電路圖 | 2007-12-24 Upgrading a bsp for tornado2.2 資源下載 Tornado VxWorks 系統(tǒng) 通訊軟件包 C C++ | 2007-02-09 40個簡單但有效的LinuxShell腳本示例 Linux Shell 腳本 示例 Unix 系統(tǒng) | 2023-08-15 光電隔離器應(yīng)用實例 設(shè)計方案 光電 隔離 應(yīng)用 實例 | 2009-07-06 LM324四運放的應(yīng)用 資源下載 四運放集成電路 LM324 應(yīng)用 | 2007-02-16 基于無線射頻的超聲波導(dǎo)航小車系統(tǒng)設(shè)計 視頻 信息技術(shù)大賽 單片機(jī) STC15F2K61S2 IAP15F2K61S2 無線 射頻 超聲波 | 2013-01-14 SSB調(diào)制的原理 設(shè)計方案 調(diào)制 原理 | 2009-07-06 上一篇：超高速雷達(dá)數(shù)字信號處理技術(shù) 下一篇：雷達(dá)成像近似二維模型及其超分辨算法 技術(shù)專區(qū) FPGA DSP MCU 示波器 步進(jìn)電機(jī) Zigbee LabVIEW Arduino RFID NFC STM32 Protel GPS MSP430 Multisim 濾波器 CAN總線 開關(guān)電源 單片機(jī) PCB USB ARM CPLD 連接器 MEMS CMOS MIPS EMC EDA ROM 陀螺儀 VHDL 比較器 Verilog 穩(wěn)壓電源 RAM AVR 傳感器 可控硅 IGBT 嵌入式開發(fā) 逆變器 Quartus RS-232 Cyclone 電位器 電機(jī)控制 藍(lán)牙 PLC PWM 汽車電子 轉(zhuǎn)換器 電源管理 信號放大器 關(guān)閉