连续超声波位置跟踪器的设计原理及其在虚拟现实系统中的应用实现

图1　参考点的分布示意图

设点T到R1、R2和R3三点的距离分别为L1、L2和L3，如图1所示，则可列出以下方程组：

　(1)

求得T的位置坐标为：

　(2)

　　由此可以推知，当在T点固定超声波发射器，在R1、R2和R3处分别固定超声波接收器，根据发射信号与接收信号之间的相位关系分别测量三个接收器和发射器之间的距离［7，8］，将测量所得到的距离和接收器的分布参数代入式(2)即可求出发射器的三维位置坐标，即运动物体的位置坐标.由于超声波测距系统的快速响应特征，通过一定采样频率的连续测量即可实现运动物体位置坐标的快速动态测量.
　　2.接收器分布边长2a的设计原理
　　根据前面的位置测量原理分析，接收器的分布边长2a是一个至关重要的设计参数，在其它系统参数相同的情况下，它直接影响到坐标分辨率和测量误差的大小.分析表明，分布边长2a与测距单元的测量范围、测量精度、传感器的发散锥角等物理参数以及用户对坐标测量系统的测量范围、分辨率和精度的要求密切相关，设换能器的发散角为α，测距单元的距离测量范围为要求发射器最大测量高度满足hmaxH，坐标分辨率满足误差满足，则2a应该分别满足式(3)～(6)

　(3)
　(4)
2a2dLmax/ε　(5)
2adLmax/δ　(6)

　　3.测距原理
　　在充分权衡传统T.O.F方法、相位差法和多普勒频移法的优缺点的基础上，本文提出了一种新的测距方案：用一个音频信号TM调制超声载波TU，由超声波换能器发射振幅被调制的连续式超声波.接收器的输出信号经过解调后得到调制信号RM，接收调制信号RM与发射调制信号TM之间的相位差ΔΦM正比于发射器到接收器之间的距离L.只要调制信号的频率足够低，使得它的波长大于最大测距范围，相位差ΔΦM就一定小于2π.利用数字鉴相器测量ΔΦM，设声音在空气中的传播速度为v，数字鉴相器的插值频率为f1，鉴相器的计数结果为NM，则距离L1为：

L1=NMv/f1　(7)

　　但由于音频调制信号的频率较低，相位差ΔΦM的测量精度受到数字鉴相器分辨力和其它信号处理电路分辨力的限制，导致L的分辨力受到限制.为此，在保证L1的分辨率高于超声载波波长λc的前提下，从接收到的AM调制信号中提取载波信号RU，用数字鉴相器测量发射载波信号TU和接收载波信号RU之间的ΔΦC，数字鉴相器的插值频率为f2，鉴相器的计数结果为NC，则距离L可以表示为：

L=int(L1/λC)+NCv/f2
其中int(L1/λC)表示L1/λC的取整运算　(8)

　　和传统的连续超声波相位差测距法相比较，上述连续调幅超声波测距法不仅继承了测量范围大、刷新频率高、测距精度高等优点，而且克服了处理电路复杂和需要粗测基准的缺点.它也不同于音频测距法，不会受到环境声音的干扰，也不会造成环境声音污染.

三、跟踪器设计
　　1.测距单元设计
　　测距单元由超声波发射机和接收机两个模块构成，两个模块的原理框图如图2和图3所示.

图2　发射器电路原理框图

图3　接收器电路原理框图

数字鉴相器的工作波形如图4所示.

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30cmL150cm，限定发射器最大测量高度满足hmax120cm，要求坐标分辨率满足ΔTξ=ΔTη=ΔTζ1cm、误差满足eξ=eη=eζ1cm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.