連續(xù)超聲波位置跟蹤器的設(shè)計(jì)原理及其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

位置跟蹤器是虛擬現(xiàn)實(shí)和其它人機(jī)實(shí)時交互系統(tǒng)中最重要的輸入設(shè)備之一，它實(shí)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(shí)系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)，從而根據(jù)用戶當(dāng)前的視點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)三維動態(tài)位置測量的原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并利用上述跟蹤器研究了具有三維實(shí)時交互控制能力的虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(shí)”(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(xiàng)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)時交互[1].

從廣義上講，虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(yùn)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(diǎn)，本文利用連續(xù)超聲波相位差測距原理實(shí)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(diǎn)，因而在虛擬現(xiàn)實(shí)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(yùn)動物體上參考點(diǎn)的坐標(biāo)表示該物體的位置坐標(biāo)，并通過測量該參考點(diǎn)到空間三個靜止的非共線點(diǎn)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(yùn)動物體上的參考點(diǎn)，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(diǎn)處的三個非共線固定點(diǎn)，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(diǎn)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(0,2

a/3,0)、R2(-a,-

a/3,0)和R3(a,-

a/3,0).

圖1　參考點(diǎn)的分布示意圖

設(shè)點(diǎn)T到R1、R2和R3三點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)運(yùn)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(jì)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(jì)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hmax

H，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)

2a

2

dLmax/ε　(5)

2a

3.測距原理

在充分權(quán)衡傳統(tǒng)T.O.F方法、相位差法和多普勒頻移法的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的測距方案：用一個音頻信號TM調(diào)制超聲載波TU，由超聲波換能器發(fā)射振幅被調(diào)制的連續(xù)式超聲波.接收器的輸出信號經(jīng)過解調(diào)后得到調(diào)制信號RM，接收調(diào)制信號RM與發(fā)射調(diào)制信號TM之間的相位差ΔΦM正比于發(fā)射器到接收器之間的距離L.只要調(diào)制信號的頻率足夠低，使得它的波長大于最大測距范圍，相位差ΔΦM就一定小于2π.利用數(shù)字鑒相器測量ΔΦM，設(shè)聲音在空氣中的傳播速度為v，數(shù)字鑒相器的插值頻率為f1，鑒相器的計(jì)數(shù)結(jié)果為NM，則距離L1為：

L1=NMv/f1　(7)

但由于音頻調(diào)制信號的頻率較低，相位差ΔΦM的測量精度受到數(shù)字鑒相器分辨力和其它信號處理電路分辨力的限制，導(dǎo)致L的分辨力受到限制.為此，在保證L1的分辨率高于超聲載波波長λc的前提下，從接收到的AM調(diào)制信號中提取載波信號RU，用數(shù)字鑒相器測量發(fā)射載波信號TU和接收載波信號RU之間的ΔΦC，數(shù)字鑒相器的插值頻率為f2，鑒相器的計(jì)數(shù)結(jié)果為NC，則距離L可以表示為：

L=int(L1/λC)+NCv/f2

其中int(L1/λC)表示L1/λC的取整運(yùn)算　(8)

和傳統(tǒng)的連續(xù)超聲波相位差測距法相比較，上述連續(xù)調(diào)幅超聲波測距法不僅繼承了測量范圍大、刷新頻率高、測距精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且克服了處理電路復(fù)雜和需要粗測基準(zhǔn)的缺點(diǎn).它也不同于音頻測距法，不會受到環(huán)境聲音的干擾，也不會造成環(huán)境聲音污染.

三、跟蹤器設(shè)計(jì)

1.測距單元設(shè)計(jì)

測距單元由超聲波發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩個模塊構(gòu)成，兩個模塊的原理框圖如圖2和圖3所示.

圖2　發(fā)射器電路原理框圖

圖3　接收器電路原理框圖

數(shù)字鑒相器的工作波形如圖4所示.

dLmax/δ　(6)