連續(xù)超聲波位置跟蹤器的設(shè)計(jì)原理及其在虛擬現(xiàn)

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.

圖4　數(shù)字鑒相器的工作波形圖

　　至于該測(cè)距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和性能分析請(qǐng)參考文獻(xiàn)［7］.
　　2.位置跟蹤器設(shè)計(jì)
　　利用超聲波測(cè)距原理，分別測(cè)量出發(fā)射器到三個(gè)接收器之間的距離L1、L2和L3，根據(jù)式(2)即可計(jì)算出發(fā)射器T在定坐標(biāo)系Cξηζ中的位置坐標(biāo)(Tξ，Tη，Tζ).因此，超聲波三自由度位置測(cè)量跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖5所示，其中三個(gè)測(cè)距單元由一個(gè)共同的超聲波發(fā)射機(jī)和三個(gè)獨(dú)立的超聲波接收機(jī)構(gòu)成，其設(shè)計(jì)原理框圖分別參見(jiàn)圖2和圖3.

圖5　超聲波位置跟蹤器的原理框圖

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
　　圖6所示的曲線(xiàn)是該測(cè)距單元的測(cè)量值與基準(zhǔn)標(biāo)稱(chēng)值之間的關(guān)系，它反應(yīng)了該測(cè)距系統(tǒng)具有良好的線(xiàn)性度，在1.5m的測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)距精度和分辨率可達(dá)±3mm，動(dòng)態(tài)刷新頻率達(dá)150Hz.

圖6　測(cè)距結(jié)果與標(biāo)稱(chēng)距離的比較

　　實(shí)驗(yàn)中使用發(fā)散角α=60°的換能器，測(cè)距單元的距離測(cè)量范圍為30cmL150cm，限定發(fā)射器最大測(cè)量高度滿(mǎn)足hmax120cm，要求坐標(biāo)分辨率滿(mǎn)足ΔTξ=ΔTη=ΔTζ1cm、誤差滿(mǎn)足eξ=eη=eζ1cm的條件下，接收器的分布邊長(zhǎng)設(shè)計(jì)為2a=80cm，在此條件下，位置跟蹤器的坐標(biāo)測(cè)量范圍為(80cm,80cm,120cm).
　　表1是當(dāng)發(fā)射器(即被跟蹤目標(biāo))僅沿Cξ軸移動(dòng)時(shí)位置跟蹤器的測(cè)量值與基準(zhǔn)標(biāo)稱(chēng)值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.表2是當(dāng)發(fā)射器(即被跟蹤目標(biāo))僅沿Cη軸移動(dòng)時(shí)位置跟蹤器的測(cè)量值與基準(zhǔn)標(biāo)稱(chēng)值之間的對(duì)應(yīng)系，表3是當(dāng)發(fā)射器(即被跟蹤目標(biāo))僅沿Cζ軸移動(dòng)時(shí)位置跟蹤器的測(cè)量值與基準(zhǔn)標(biāo)稱(chēng)值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，它們反應(yīng)了該位置測(cè)量系統(tǒng)具有良好的線(xiàn)性度和測(cè)量精度，能夠滿(mǎn)足虛擬場(chǎng)景人機(jī)交互設(shè)備的要求.

表1　沿Cξ軸移動(dòng)時(shí)跟蹤器的基準(zhǔn)標(biāo)稱(chēng)坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)

表2　沿Cη軸移動(dòng)時(shí)跟蹤器的基準(zhǔn)標(biāo)稱(chēng)坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)