連續(xù)超聲波位置跟蹤器的設(shè)計原理及其應(yīng)用實現(xiàn)

圖4　數(shù)字鑒相器的工作波形圖

至于該測距系統(tǒng)的電路設(shè)計、實驗結(jié)果和性能分析請參考文獻[7].

2.位置跟蹤器設(shè)計

利用超聲波測距原理，分別測量出發(fā)射器到三個接收器之間的距離L1、L2和L3，根據(jù)式(2)即可計算出發(fā)射器T在定坐標系Cξηζ中的位置坐標(Tξ，Tη，Tζ).因此，超聲波三自由度位置測量跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖5所示，其中三個測距單元由一個共同的超聲波發(fā)射機和三個獨立的超聲波接收機構(gòu)成，其設(shè)計原理框圖分別參見圖2和圖3.

圖5　超聲波位置跟蹤器的原理框圖

四、實驗結(jié)果與分析

圖6所示的曲線是該測距單元的測量值與基準標稱值之間的關(guān)系，它反應(yīng)了該測距系統(tǒng)具有良好的線性度，在1.5m的測量范圍內(nèi)測距精度和分辨率可達±3mm，動態(tài)刷新頻率達150Hz.

圖6　測距結(jié)果與標稱距離的比較

實驗中使用發(fā)散角α=60°的換能器，測距單元的距離測量范圍為30cm

L

150cm，限定發(fā)射器最大測量高度滿足hmax

120cm，要求坐標分辨率滿足ΔTξ=ΔTη=ΔTζ

1cm、誤差滿足eξ=eη=eζ

1cm的條件下，接收器的分布邊長設(shè)計為2a=80cm，在此條件下，位置跟蹤器的坐標測量范圍為(80cm,80cm,120cm).

表1是當發(fā)射器(即被跟蹤目標)僅沿Cξ軸移動時位置跟蹤器的測量值與基準標稱值之間的對應(yīng)關(guān)系.表2是當發(fā)射器(即被跟蹤目標)僅沿Cη軸移動時位置跟蹤器的測量值與基準標稱值之間的對應(yīng)系，表3是當發(fā)射器(即被跟蹤目標)僅沿Cζ軸移動時位置跟蹤器的測量值與基準標稱值之間的對應(yīng)關(guān)系，它們反應(yīng)了該位置測量系統(tǒng)具有良好的線性度和測量精度，能夠滿足虛擬場景人機交互設(shè)備的要求.

表1　沿Cξ軸移動時跟蹤器的基準標稱坐標與測量坐標

次

數(shù)基準標稱坐標(cm)測量坐標(cm)

ξηζξηζ

1-2010120-20.7710.59121.08

2-1510120-15.7510.53120.98

3-1010120-10.569.97119.94

4-510120-4.110.16120.69

50101201.0710.68120.87

65101205.3410.47120.52

7101012010.5311.08119.91

8151012014.3610.05120.15

9201012020.049.87120.91

表2　沿Cη軸移動時跟蹤器的基準標稱坐標與測量坐標

次

數(shù)基準標稱坐標(cm)測量坐標(cm)

ξηζξηζ

15-201204.97-20.48118.98

25-151204.75-15.13120.86

35-101205.59-12.28120.87

45-51204.88-7.19120.04

5501205.26-1.03120.82

6551205.657.11118.95

75101205.429.87119.52

85151206.0614.41119.77

95201205.5421.14119.22

表3　沿Cζ軸移動時跟蹤器的基準標稱坐標與測量坐標

次

數(shù)基準標稱坐標(cm)測量坐標(cm)

ξηζξηζ

11010858.899.9285.25

21010909.2510.5690.82

31010958.7510.5896.06

410101009.0611.16101.12

510101059.5810.45106.08

610101109.3311.57110.85

710101159.6211.08116.2

810101208.879.04120.5

五、應(yīng)　　用

在以REND386開發(fā)的虛擬場景平臺上，用上述位置測量跟蹤系統(tǒng)作為一種方位跟蹤設(shè)備進行用戶位置跟蹤，從而構(gòu)成了一個三維實時虛擬漫游系統(tǒng)，其設(shè)計框圖如圖7所示，主要由三個超聲波測距單元、PC機數(shù)據(jù)采集單元、空間坐標位置算法、虛擬場景生成程序和三自由度空間坐標跟蹤器與虛擬場景發(fā)生器的接口驅(qū)動程序構(gòu)成.

圖7　三維實時虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)原理框圖

圖8(a)是虛擬場景的初始位置，圖8(b)是視點的相對位置坐標從(0，0，0)變化到(50，20，50)時經(jīng)過刷新的場景圖像.

圖8　(a)虛擬場景的(0，0，0)位置(b)虛擬場景的(50，20，50)位置

六、結(jié)　　論

以超聲波三自由度位置跟蹤器作為一個用REND386創(chuàng)建的虛擬場景的數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，構(gòu)成一個完整的三維人機交互式虛擬現(xiàn)實演示系統(tǒng).實驗表明，該位置測量跟蹤系統(tǒng)的測量精度、分辨率以及動態(tài)刷新頻率能夠滿足虛擬場景三維數(shù)據(jù)輸入的需求，圖形刷新與數(shù)據(jù)刷新能夠很好同步，沒有明顯的圖像滯后，而且運動平滑，圖像沒有明顯的抖動或者跳動感，是一個具有進一步開發(fā)潛力的樣機系統(tǒng).