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)中的應用實現(xiàn)
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位置跟蹤器是虛擬現(xiàn)實和其它人機實時交互系統(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，從而根據(jù)用戶當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.
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界面，它綜合計算機仿真技術(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，目前有機電式、電磁式、聲學式、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)、機器人技術(shù)、武器系統(tǒng)、人機交互設(shè)備(如3D鼠標)等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景.
二、跟蹤器原理
1.位置測量原理
根據(jù)剛體動力學的分析［6］，能夠用運動物體上參考點的坐標表示該物體的位置坐標，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)在靜止參考坐標系Cξηζ中，T是運動物體上的參考點，其位置坐標用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：
求得T的位置坐標為：
由此可以推知，當在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，即運動物體的位置坐標.由于超聲波測距系統(tǒng)的快速響應特征，通過一定采樣頻率的連續(xù)測量即可實現(xiàn)運動物體位置坐標的快速動態(tài)測量.
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(1)
(2)
要求發(fā)射器最大測量高度滿足hmax
H，坐標分辨率滿足
誤差滿足
，則2a應該分別滿足式(3)～(6)
(3)
(4)
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