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(shí)交互系統(tǒng)中最重要的輸入設(shè)備之一，它實(shí)時(shí)地測(cè)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(chǎng)景的顯示.基于連續(xù)調(diào)幅超聲波相位差相干測(cè)距方法實(shí)現(xiàn)快速、高分辨率的動(dòng)/靜態(tài)方法測(cè)量的原理，本文著重闡述了以連續(xù)超聲波相位差相干測(cè)量法實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)位置測(cè)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(shí)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(cè)距器;虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng);虛擬場(chǎng)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(jiǎn)稱VR)，是80年代在美國(guó)等科技先進(jìn)國(guó)家發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，是以浸沒(méi)感、交互性和構(gòu)想為基本特征的高級(jí)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(shí)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(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官功能，使人能夠沉浸在計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的虛擬場(chǎng)景中，并能夠通過(guò)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(shí)交互[1].

從廣義上講，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由虛擬場(chǎng)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(lèi)：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(shí)能操縱虛擬物體，而方位跟蹤設(shè)備可以實(shí)時(shí)地測(cè)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(jiàn)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(jià)格昂貴，而且存在著一些明顯不足之處.例如電磁跟蹤器對(duì)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(jiǎn)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(shí)間的限制，在有六個(gè)測(cè)量通道、2m測(cè)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(duì)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(dòng)的情況下，必然給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)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(cè)距原理實(shí)現(xiàn)多通道同步測(cè)量，刷新頻率不再受聲波傳播時(shí)間的制約，多通道測(cè)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(dòng)/靜態(tài)方位測(cè)量.再結(jié)合聲學(xué)式跟蹤器具有干擾源少、測(cè)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(cè)量原理

根據(jù)剛體動(dòng)力學(xué)的分析[6]，能夠用運(yùn)動(dòng)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(guò)測(cè)量該參考點(diǎn)到空間三個(gè)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(dòng)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(zhǎng)為2a的等邊三角形頂點(diǎn)處的三個(gè)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L(zhǎng)1、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(hào)與接收信號(hào)之間的相位關(guān)系分別測(cè)量三個(gè)接收器和發(fā)射器之間的距離[7，8]，將測(cè)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(dòng)物體的位置坐標(biāo).由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)的快速響應(yīng)特征，通過(guò)一定采樣頻率的連續(xù)測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體位置坐標(biāo)的快速動(dòng)態(tài)測(cè)量.

2.接收器分布邊長(zhǎng)2a的設(shè)計(jì)原理

根據(jù)前面的位置測(cè)量原理分析，接收器的分布邊長(zhǎng)2a是一個(gè)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(cè)量誤差的大小.分析表明，分布邊長(zhǎng)2a與測(cè)距單元的測(cè)量范圍、測(cè)量精度、傳感器的發(fā)散錐角等物理參數(shù)以及用戶對(duì)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)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(cè)距單元的距離測(cè)量范圍為

要求發(fā)射器最大測(cè)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(cè)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(cè)距方案：用一個(gè)音頻信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)后得到調(diào)制信號(hào)RM，接收調(diào)制信號(hào)RM與發(fā)射調(diào)制信號(hào)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(hào)的頻率足夠低，使得它的波長(zhǎng)大于最大測(cè)距范圍，相位差ΔΦM就一定小于2π.利用數(shù)字鑒相器測(cè)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(hào)的頻率較低，相位差ΔΦM的測(cè)量精度受到數(shù)字鑒相器分辨力和其它信號(hào)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(zhǎng)λc的前提下，從接收到的AM調(diào)制信號(hào)中提取載波信號(hào)RU，用數(shù)字鑒相器測(cè)量發(fā)射載波信號(hào)TU和接收載波信號(hào)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(cè)距法相比較，上述連續(xù)調(diào)幅超聲波測(cè)距法不僅繼承了測(cè)量范圍大、刷新頻率高、測(cè)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(cè)基準(zhǔn)的缺點(diǎn).它也不同于音頻測(cè)距法，不會(huì)受到環(huán)境聲音的干擾，也不會(huì)造成環(huán)境聲音污染.

三、跟蹤器設(shè)計(jì)

1.測(cè)距單元設(shè)計(jì)

測(cè)距單元由超聲波發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩個(gè)模塊構(gòu)成，兩個(gè)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)