連續超聲波位置跟蹤器的設計原理及其在虛擬現實(shí)系統中的應用實(shí)現

位置跟蹤器是虛擬現實(shí)和其它人機實(shí)時(shí)交互系統中最重要的輸入設備之一，它實(shí)時(shí)地測量用戶(hù)身體或其局部的位置和方向并作為用戶(hù)的輸入信息傳遞給虛擬現實(shí)系統的主控計算機，從而根據用戶(hù)當前的視點(diǎn)信息刷新虛擬場(chǎng)景的顯示.基于連續調幅超聲波相位差相干測距方法實(shí)現快速、高分辨率的動(dòng)/靜態(tài)方法測量的原理，本文著(zhù)重闡述了以連續超聲波相位差相干測量法實(shí)現三維動(dòng)態(tài)位置測量的原理、系統設計、實(shí)驗結果，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實(shí)系統樣機.
　　關(guān)鍵詞:位置跟蹤器；超聲波測距器；虛擬現實(shí)系統；虛擬場(chǎng)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(chēng)“虛擬現實(shí)”(Virtual Reality,簡(jiǎn)稱(chēng)VR)，是80年代在美國等科技先進(jìn)國家發(fā)展起來(lái)的一項新技術(shù)，是以浸沒(méi)感、交互性和構想為基本特征的高級人機界面，它綜合計算機仿真技術(shù)、圖像處理與模式識別技術(shù)、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、計算機網(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(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官功能，使人能夠沉浸在計算機創(chuàng )造的虛擬場(chǎng)景中，并能夠通過(guò)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，虛擬現實(shí)系統由虛擬場(chǎng)景發(fā)生器、輸入設備和輸出設備組成.用于VR系統的輸入設備分為兩大類(lèi)：交互設備和方位跟蹤設備.交互設備使得用戶(hù)在虛擬境界中漫游時(shí)能操縱虛擬物體，而方位跟蹤設備可以實(shí)時(shí)地測量并跟蹤用戶(hù)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(jiàn)方位跟蹤設備是創(chuàng )建虛擬現實(shí)系統的硬件基礎.
　　在VR技術(shù)中，目前有機電式、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(zhù)名，但這些產(chǎn)品不僅價(jià)格昂貴，而且存在著(zhù)一些明顯不足之處.例如電磁跟蹤器對應用環(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(jiǎn)單、易于實(shí)現的優(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(mǎn)足虛擬現實(shí)頭盔顯示器系統中對方位跟蹤器的要求，另外，多通道的距離數據非同步獲取，在目標連續運動(dòng)的情況下，必然給測量結果帶來(lái)較大誤差［4，5］.
　　為了克服T.O.F方法的缺點(diǎn)，本文利用連續超聲波相位差測距原理實(shí)現多通道同步測量，刷新頻率不再受聲波傳播時(shí)間的制約，多通道測量結果是同步相干數據，能夠實(shí)現快速、高分辨率的動(dòng)/靜態(tài)方位測量.再結合聲學(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)，因而在虛擬現實(shí)系統(如頭盔顯示器、數據手套)、機器人技術(shù)、武器系統、人機交互設備(如3D鼠標)等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景.

二、跟蹤器原理
　　1.位置測量原理
　　根據剛體動(dòng)力學(xué)的分析［6］，能夠用運動(dòng)物體上參考點(diǎn)的坐標表示該物體的位置坐標，并通過(guò)測量該參考點(diǎn)到空間三個(gè)靜止的非共線(xiàn)點(diǎn)之間的距離唯一確定.
　　設在靜止參考坐標系Cξηζ中，T是運動(dòng)物體上的參考點(diǎn)，其位置坐標用T(Tξ,Tη,Tζ)表示，R1、R2和R3是分布在邊長(cháng)為2a的等邊三角形頂點(diǎn)處的三個(gè)非共線(xiàn)固定點(diǎn)，它們與參考坐標系的關(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，它們的空間坐標依次為R1(0,2a/3,0)、R2(-a,-a/3,0)和R3(a,-a/3,0).