连续超声波位置跟踪器的设计原理及其应用实现

图4　数字鉴相器的工作波形图

至于该测距系统的电路设计、实验结果和性能分析请参考文献[7].

2.位置跟踪器设计

利用超声波测距原理，分别测量出发射器到三个接收器之间的距离L1、L2和L3，根据式(2)即可计算出发射器T在定坐标系Cξηζ中的位置坐标(Tξ，Tη，Tζ).因此，超声波三自由度位置测量跟踪系统的设计框图如图5所示，其中三个测距单元由一个共同的超声波发射机和三个独立的超声波接收机构成，其设计原理框图分别参见图2和图3.

图5　超声波位置跟踪器的原理框图

四、实验结果与分析

图6所示的曲线是该测距单元的测量值与基准标称值之间的关系，它反应了该测距系统具有良好的线性度，在1.5m的测量范围内测距精度和分辨率可达±3mm，动态刷新频率达150Hz.

图6　测距结果与标称距离的比较

实验中使用发散角α=60°的换能器，测距单元的距离测量范围为30cm

L

150cm，限定发射器最大测量高度满足hmax

120cm，要求坐标分辨率满足ΔTξ=ΔTη=ΔTζ

1cm、误差满足eξ=eη=eζ

1cm的条件下，接收器的分布边长设计为2a=80cm，在此条件下，位置跟踪器的坐标测量范围为(80cm,80cm,120cm).

表1是当发射器(即被跟踪目标)仅沿Cξ轴移动时位置跟踪器的测量值与基准标称值之间的对应关系.表2是当发射器(即被跟踪目标)仅沿Cη轴移动时位置跟踪器的测量值与基准标称值之间的对应系，表3是当发射器(即被跟踪目标)仅沿Cζ轴移动时位置跟踪器的测量值与基准标称值之间的对应关系，它们反应了该位置测量系统具有良好的线性度和测量精度，能够满足虚拟场景人机交互设备的要求.

表1　沿Cξ轴移动时跟踪器的基准标称坐标与测量坐标

次

数基准标称坐标(cm)测量坐标(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轴移动时跟踪器的基准标称坐标与测量坐标

次

数基准标称坐标(cm)测量坐标(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轴移动时跟踪器的基准标称坐标与测量坐标

次

数基准标称坐标(cm)测量坐标(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、应　　用

在以REND386开发的虚拟场景平台上，用上述位置测量跟踪系统作为一种方位跟踪设备进行用户位置跟踪，从而构成了一个三维实时虚拟漫游系统，其设计框图如图7所示，主要由三个超声波测距单元、PC机数据采集单元、空间坐标位置算法、虚拟场景生成程序和三自由度空间坐标跟踪器与虚拟场景发生器的接口驱动程序构成.

图7　三维实时虚拟现实漫游系统原理框图

图8(a)是虚拟场景的初始位置，图8(b)是视点的相对位置坐标从(0，0，0)变化到(50，20，50)时经过刷新的场景图像.

图8　(a)虚拟场景的(0，0，0)位置(b)虚拟场景的(50，20，50)位置

六、结　　论

以超声波三自由度位置跟踪器作为一个用REND386创建的虚拟场景的数据输入设备，构成一个完整的三维人机交互式虚拟现实演示系统.实验表明，该位置测量跟踪系统的测量精度、分辨率以及动态刷新频率能够满足虚拟场景三维数据输入的需求，图形刷新与数据刷新能够很好同步，没有明显的图像滞后，而且运动平滑，图像没有明显的抖动或者跳动感，是一个具有进一步开发潜力的样机系统.