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(dòng)/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(dòng)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(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(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、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(shí)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(shí)能操縱虛擬物體，而方位跟蹤設(shè)備可以實(shí)時(shí)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(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(shí)間的限制，在有六個(gè)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(dòng)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(shí)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(dòng)/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(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)，并通過測量該參考點(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(hào)與接收信號(hào)之間的相位關(guān)系分別測量三個(gè)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(dòng)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(dòng)物體位置坐標(biāo)的快速動(dòng)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(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

dLmax/δ　(6)
 

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(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和性能分析請參考文獻(xiàn)[7].

2.位置跟蹤器設(shè)計(jì)

利用超聲波測距原理，分別測量出發(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量跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖5所示，其中三個(gè)測距單元由一個(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所示的曲線是該測距單元的測量值與基準(zhǔn)標(biāo)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(dá)±3mm，動(dòng)態(tài)刷新頻率達(dá)150Hz.

圖6　測距結(jié)果與標(biāo)稱距離的比較

實(shí)驗(yàn)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(biāo)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(jì)為2a=80cm，在此條件下，位置跟蹤器的坐標(biāo)測量范圍為(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)位置跟蹤器的測量值與基準(zhǔn)標(biāo)稱值之間的對應(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)位置跟蹤器的測量值與基準(zhǔn)標(biāo)稱值之間的對應(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)位置跟蹤器的測量值與基準(zhǔn)標(biāo)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(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)稱坐標(biāo)與測量坐標(biāo)

次

數(shù)基準(zhǔn)標(biāo)稱坐標(biāo)(cm)測量坐標(biāo)(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(dòng)時(shí)跟蹤器的基準(zhǔn)標(biāo)稱坐標(biāo)與測量坐標(biāo)

次

數(shù)基準(zhǔn)標(biāo)稱坐標(biāo)(cm)測量坐標(biāo)(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(dòng)時(shí)跟蹤器的基準(zhǔn)標(biāo)稱坐標(biāo)與測量坐標(biāo)

次

數(shù)基準(zhǔn)標(biāo)稱坐標(biāo)(cm)測量坐標(biāo)(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(tái)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(jìn)行用戶位置跟蹤，從而構(gòu)成了一個(gè)三維實(shí)時(shí)虛擬漫游系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)框圖如圖7所示，主要由三個(gè)超聲波測距單元、PC機(jī)數(shù)據(jù)采集單元、空間坐標(biāo)位置算法、虛擬場景生成程序和三自由度空間坐標(biāo)跟蹤器與虛擬場景發(fā)生器的接口驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成.

圖7　三維實(shí)時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)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(diǎn)的相對位置坐標(biāo)從(0，0，0)變化到(50，20，50)時(shí)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(gè)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(gè)完整的三維人機(jī)交互式虛擬現(xiàn)實(shí)演示系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)表明，該位置測量跟蹤系統(tǒng)的測量精度、分辨率以及動(dòng)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(yùn)動(dòng)平滑，圖像沒有明顯的抖動(dòng)或者跳動(dòng)感，是一個(gè)具有進(jìn)一步開發(fā)潛力的樣機(jī)系統(tǒng).