接连超声波方位跟踪器的规划原理及其在虚拟现实体系中的使用完成

方位盯梢器是虚拟现实和其它人机实时交互体系中最重要的输入设备之一，它实时地丈量用户身体或其部分的方位和方向并作为用户的输入信息传递给虚拟现实体系的主控计算机，然后依据用户当时的角度信息改写虚拟场景的显现.依据接连调幅超声波相位差相干测距办法完成快速、高分辨率的动/静态办法丈量的原理，本文侧重论述了以接连超声波相位差相干丈量法完成三维动态方位丈量的原理、体系规划、试验成果，并运用上述盯梢器研讨了具有三维实时交互控制能力的虚拟现实体系样机.
　　关键词:方位盯梢器；超声波测距器；虚拟现实体系；虚拟场景

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
　　灵境技能，又称“虚拟现实”(Virtual Reality,简称VR)，是80年代在美国等科技先进国家发展起来的一项新技能，是以浸没感、交互性和构想为基本特征的高档人机界面，它归纳计算机仿真技能、图画处理与模式识别技能、智能接口技能、人工智能技能、多媒体技能、计算机网络技能、并行处理技能和多传感器等电子技能模拟人的视觉、听觉、触觉等感官功用，使人可以沉浸在计算机发明的虚拟场景中，并可以通过多种感官途径与虚拟国际的多维化信息环境进行实时交互［1］.
　　从广义上讲，虚拟现实体系由虚拟场景发生器、输入设备和输出设备组成.用于VR体系的输入设备分为两大类：交互设备和方位盯梢设备.交互设备使得用户在虚拟境地中周游时能操作虚拟物体，而方位盯梢设备可以实时地丈量并盯梢用户身体或其部分的物理方位和方向，使得他可以在虚拟境地中周游［1］.由此可见方位盯梢设备是创立虚拟现实体系的硬件根底.
　　在VR技能中，现在有机电式、电磁式、声学式、光电式和惯性式五种常用的方位盯梢器［2］，其间以Polhemus Inc.和Asension Technology Corporation两家公司的电磁盯梢器和Logitech公司的超声波盯梢器最为闻名，但这些产品不只价格昂贵，并且存在着一些显着不足之处.例如电磁盯梢器对运用环境的电磁特性有严苛的要求.Logitech的超声波盯梢器战胜了电磁盯梢器的上述缺陷，但它选用的T.O.F(Time of Flight)办法［3］尽管具有原理简略、易于完成的长处，但方位改写频率遭到脉冲传达时刻的约束，在有六个丈量通道、2m丈量规模的条件下，方位改写频率仅为二十几Hz,这样的改写频率不能满意虚拟现实头盔显现器体系中对方位盯梢器的要求，别的，多通道的间隔数据非同步获取，在方针接连运动的情况下，必定给丈量成果带来较大差错［4，5］.
　　为了战胜T.O.F办法的缺陷，本文运用接连超声波相位差测距原理完成多通道同步丈量，改写频率不再受声波传达时刻的约束，多通道丈量成果是同步相干数据，可以完成快速、高分辨率的动/静态方位丈量.再结合声学式盯梢器具有搅扰源少、丈量精度较高以及研制成本低一级杰出长处，因而在虚拟现实体系(如头盔显现器、数据手套)、机器人技能、武器体系、人机交互设备(如3D鼠标)等范畴具有广泛的运用远景.

二、盯梢器原理
　　1.方位丈量原理
　　依据刚体动力学的剖析［6］，可以用运动物体上参阅点的坐标标明该物体的方位坐标，并通过丈量该参阅点到空间三个停止的非共线点之间的间隔仅有确认.
　　设在停止参阅坐标系Cξηζ中，T是运动物体上的参阅点，其方位坐标用T(Tξ,Tη,Tζ)标明，R1、R2和R3是散布在边长为2a的等边三角形极点处的三个非共线固定点，它们与参阅坐标系的联系如图1所示，等边三角形的重心与原点C重合，三角形地点平面与Cζ轴笔直，CR1与Cη轴重合，R2R3与Cξ轴平行，它们的空间坐标依次为R1(0,2a/3,0)、R2(-a,-a/3,0)和R3(a,-a/3,0).