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)

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(cè)距單元的測(cè)量值與基準(zhǔn)標(biāo)稱值之間的關(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30cm

L

150cm，限定發(fā)射器最大測(cè)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(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)具有良好的線性度和測(cè)量精度，能夠滿足虛擬場(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)稱坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)

次

數(shù)基準(zhǔn)標(biāo)稱坐標(biāo)(cm)測(cè)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(cè)量坐標(biāo)

次

數(shù)基準(zhǔn)標(biāo)稱坐標(biāo)(cm)測(cè)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(cè)量坐標(biāo)

次

數(shù)基準(zhǔn)標(biāo)稱坐標(biāo)(cm)測(cè)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(chǎng)景平臺(tái)上，用上述位置測(cè)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(cè)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(chǎng)景生成程序和三自由度空間坐標(biāo)跟蹤器與虛擬場(chǎng)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(chǎng)景的初始位置，圖8(b)是視點(diǎn)的相對(duì)位置坐標(biāo)從(0，0，0)變化到(50，20，50)時(shí)經(jīng)過刷新的場(chǎng)景圖像.

圖8　(a)虛擬場(chǎng)景的(0，0，0)位置(b)虛擬場(chǎng)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(chǎng)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(cè)量跟蹤系統(tǒng)的測(cè)量精度、分辨率以及動(dòng)態(tài)刷新頻率能夠滿足虛擬場(chǎng)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).