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| | | 振華電子網(wǎng)訊 摘要：介紹基于超聲波測距技術(shù)的６自由度３－ｄ輸入設備的設計原理。采用檢測渡越時(shí)間的方法，結合自動(dòng)增益控制（ａｇｃ），自適應可變閾值技術(shù)和溫度補償技術(shù)，提高距離檢測精度。經(jīng)過(guò)空間解析幾何運算，確定輸入設備在空間坐標系中的位置和姿態(tài)。同時(shí)，檢測按鍵的狀態(tài)，確定所要實(shí)現的操作�？捎糜谶b操作機器人系統中末端執行器的定位與定向、虛擬現實(shí)系統的３－ｄ交互設備、頭盔跟蹤、視點(diǎn)導航和目標操縱等。 關(guān)鍵詞： BMC材料加工 RCA同芯插座 PST外接線(xiàn)插座 DC電源插座 USB插座 WXCZ網(wǎng)線(xiàn)插座 CS型21芯(42)芯插座 DY音響插座 VGA插座 話(huà)筒插口 耳機插口 KFC-A06輕觸開(kāi)關(guān) 門(mén)燈開(kāi)關(guān) 蹺板開(kāi)關(guān) KFC型維修開(kāi)關(guān) MF型保險絲管座，如鼠標，軌跡球和繪圖板等只能提供二維（平面）位置信息，不能提供其在空間坐標系中的三維位置和方向信息，從而限制了它們在未來(lái)３－ｄ圖形化人機交互界面系統，尤其是遙操作機器人和虛擬現實(shí)系統中的應用。
關(guān)鍵詞： BMC材料加工 RCA同芯插座 PST外接線(xiàn)插座 DC電源插座 USB插座 WXCZ網(wǎng)線(xiàn)插座 CS型21芯(42)芯插座 DY音響插座 VGA插座 話(huà)筒插口 耳機插口 KFC-A06輕觸開(kāi)關(guān) 門(mén)燈開(kāi)關(guān) 蹺板開(kāi)關(guān) KFC型維修開(kāi)關(guān) MF型保險絲管座。
當前的３－ｄ輸入設備依據原理可分為機械式、電磁式、光學(xué)式、聲學(xué)式和慣性式等[１]。由于聲學(xué)式的３－ｄ輸入設備具有易于實(shí)現、成本低、對光線(xiàn)不敏感、無(wú)電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)，我們采用超聲波測距技術(shù)來(lái)實(shí)現具有６個(gè)自由度（ｄｏｆ）的３－ｄ輸入設備，并結合自動(dòng)增益控制（ａｇｃ），自適應可變閾值技術(shù)和溫度補償技術(shù)，以提高距離檢測精度，從而測得安裝在輸入設備上的超聲波發(fā)射探頭到三個(gè)接收探頭的距離。經(jīng)過(guò)空間解析幾何運算，可得３－ｄ輸入設備在空間坐標系中的６個(gè)自由度信息：位置（ｘ，ｙ，ｚ）和方向（γ，β，α）（即姿態(tài)，也就是繞ｘ、ｙ和ｚ軸的旋轉角），如圖１所示。同時(shí)，檢測３－ｄ輸入設備上的按鍵狀態(tài)，確定所要實(shí)現的操作。
1 超聲波測距
1.1 測距原理
輸入設備的三維定位與定向基于一維測距技術(shù)。要實(shí)現三維定位與定向，就需要獲得發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離值。超聲波測距的方法有多種：如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時(shí)間檢測法等[２]。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本文采用渡越時(shí)間檢測法，其原理為：檢測從發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收換能器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。渡越時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，便可得到超聲波發(fā)射器和接收器之間的距離。
在３－ｄ輸入設備定位與定向系統中，選用工作頻率為４０ｋｈｚ的ｐｚｔ５壓電陶瓷振動(dòng)模式的超聲波換能器。超聲波測距原理結構框圖如圖２所示。三路超聲波發(fā)射接收框圖都相同，圖２只畫(huà)出了一路超聲波發(fā)射接收框圖。
1.2 渡越時(shí)間檢測
時(shí)序電路控制超聲波換能器以固定的時(shí)間間隔來(lái)發(fā)射超聲波。電路時(shí)序及各信號波形如圖３所示[３]。
整個(gè)電路的時(shí)序由ｔｒｉｇｇｅｒ信號控制。ｃｏｎｔｒｏｌ信號由ｔｒｉｇｇｅｒ信號負跳沿觸發(fā)，它把觸發(fā)周期ｔ１和ｔ２合并為一個(gè)檢測周期，這樣是為了達到可變閾值檢測的目的。其中，ｔ１為精密峰值檢測周期，ｔ２為可變閾值檢測周期。ｇａｔｅ信號是為了屏蔽虛假接收波。ｗａｖｅ信號為超聲波發(fā)射及接收信號。發(fā)射的脈沖數應選擇合適，脈沖個(gè)數多有不少優(yōu)點(diǎn)：脈沖能量大，受其它聲波模式影響較小等；但脈沖個(gè)數多，盲區大，且余振波頭也多。通過(guò)實(shí)驗，�。磦�(gè)脈沖。ｐｅａｋ信號是精密峰值信號，由積分充電電路得到。由于接收波隨距離增加迅速衰減，為了使接收波的幅值不隨測量距離的變化而大幅度地變化，采用可變增益控制（ａｇｃ）技術(shù)，有利于獲得精確的距離信息。
ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ信號為自適應可變閾值信號，它反映前一周期接收波信號的幅值大小。相鄰兩個(gè)接收波信號的峰值相差不大，將ｔ１周期得到的精密峰值乘以一個(gè)比例因子，得到ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ信號，作為ｔ２周期的閾值，和ｗａｖｅ信號相比較，保證每次在同一個(gè)接收波頭（在本系統中，ｎ＝４）后開(kāi)始封鎖計數器，獲得渡越時(shí)間（如圖４和圖５），從而不受接收波幅值大小的影響，提高了測量的精度。
1.3 距離計算和溫度補償
超聲波發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離ｄ為：
ｄ＝ｖｕｌｔｒａ·ｔｔｏｆ （１）
其中ｖｕｌｔｒａ為聲速，ｔｔｏｆ為渡越時(shí)間。
聲速ｖｕｌｔｒａ隨環(huán)境溫度ｔｅｎｖ的變化規律為：
其泰勒級數展開(kāi)式（僅保留到一次項）為：
ｖｕｌｔｒａ＝３３１．４＋０．６０７ｔｅｎｖ （３）
因此，溫度每變化１度，聲波的速度變化０．６(ｍｍ／ｍｓ)。若渡越時(shí)間達到９ｍｓ（距離約為３ｍ），就會(huì )產(chǎn)生約５ｍｍ的誤差。溫度變化２度時(shí)，則產(chǎn)生約１ｃｍ的誤差，因而必須進(jìn)行溫度補償。
用４ｍｈｚ的方波信號作為計數脈沖，計數器的時(shí)間分辨率為ｔｒｅｓ＝０．２５×１０－３ｍｓ。設在渡越時(shí)間ｔｔｏｆ內，計數器的值為ｎｃｏｕｎｔ，由于計數器是在第ｎ個(gè)接收波頭后被封鎖，則有：
ｔｔｏｆ＝ｔｒｅｓ×ｎｃｏｕｎｔ－n / fultra （４）
其中，ｆｕｌｔｒａ為超聲波的發(fā)射頻率（４０ｋｈｚ）。
由（１）～（４）式，有：
ｄ＝ｖｕｌｔｒａ·ｔｔｏｆ＝
（３３１．４＋０．６０７ｔｅｎｖ）·（ｔｒｅｓ×ｎｃｏｕｎｔ－n / fultra） (５)
這種采用檢測超聲波渡越時(shí)間的方法，結合自動(dòng)增益控制（ａｇｃ）和自適應可變閾值技術(shù)，并加入溫度補償，提高了距離檢測精度，有利于獲得３－ｄ輸入設備精確的位置和姿態(tài)信息。
2 ６ｄｏｆ輸入設備的設計原理
2.1 三維定位原理
根據三角測量原理可以實(shí)現三維定位。在參考坐標系的原點(diǎn)、ｘ軸和ｙ軸分別安裝上三個(gè)超聲波接收器ｒｏ、ｒｘ、ｒｙ，在輸入設備上安裝超聲波發(fā)射器ｔ，其在參考坐標系中的位置為(ｘ,ｙ,ｚ)，如圖６所示。
設ｒｏ與ｒｘ之間的距離為ｌｏｘ，ｒｏ與ｒｙ之間的距離為ｌｏｙ。通過(guò)超聲波測距，測出ｒｏ到發(fā)射器ｔ的距離為ｄｏｔ，ｒｘ到發(fā)射器ｔ的距離為ｄｘｔ，ｒｙ到發(fā)射器ｔ的距離為ｄｙｔ，根據三角測量原理，有（６）式，可解得發(fā)射點(diǎn)ｔ的三維直角坐標表示形式，如式（７）所示。
2.2 三維定向原理
要進(jìn)行三維定向測量，需在輸入設備上安裝三個(gè)超聲波發(fā)射器ｔａ、ｔｂ、ｔｃ，這三個(gè)發(fā)射點(diǎn)在參考坐標系中的位置可通過(guò)上述的方法依次獲得，如圖７所示。
三角形ｔａｔｂｔｃ所在坐標系為ｔｘ－ｙ－ｚ，它在參考坐標系ｂｘ－ｙ－ｚ中的位置與姿態(tài)的描述可用一個(gè)４×４的變換矩陣ｔ表示[４]：
設三角形ｔａｔｂｔｃ三條邊的中線(xiàn)交點(diǎn)為ｔ。定義坐標系ｔｘ－ｙ－ｚｔ為坐標原點(diǎn)，三角形的法線(xiàn)ｄ為坐標系ｔｘ－ｙ－ｚ的ｚ軸、ｔｔａ為坐標系ｔｘ－ｙ－ｚ的ｘ軸，ｙ軸則由右手法則確定。則變換矩陣ｔ描述了坐標系ｔｘ－ｙ－ｚ相對于參考坐標系ｂｘ－ｙ－ｚ的方位，即有：ｔｔｘ－ｙ－ｚ→ｂｘ－ｙ－ｚ。于是，法線(xiàn)ｄ的方向矢量為：
三角形ｔａｔｂｔｃ三條邊的中線(xiàn)交點(diǎn)ｔ在參考坐標系ｂｘ－ｙ－ｚ中的位置(ｘｔ,ｙｔ,ｚｔ)可由下式求出：
則ｔｆａ的方向矢量可描述為：
[ｍｘ,ｍｙ,ｍｚ]＝[ｘａ－ｘｔ,ｙａ－ｙｔ,ｚａ－ｚｔ]ｔ (１１)
那么，坐標系ｔｍ－ｎ－ｋ的ｙ軸方向矢量為：
經(jīng)歸一化后，變換矩陣為：
然后，根據（８）式就可求出３－ｄ輸入設備在參考坐標系ｂｘ－ｙ－ｚ中的６個(gè)自由度信息：位置（ｘ,ｙ,ｚ)和方向（γ,β,α)(即姿態(tài)，也就是繞ｘ、ｙ和ｚ軸的旋轉角）。從中可知，只要測出三個(gè)超聲波發(fā)射器到三個(gè)超聲波接收器的距離，經(jīng)過(guò)空間解析幾何運算，就可求出描述輸入設備位置與姿態(tài)的變換矩陣。
3 實(shí)驗
基于超聲波測距技術(shù)的３－ｄ輸入設備系統主要是由三路超聲波檢測電路、溫度補償電路和８９ｃ５１單片機數據采集系統組成。單片機通過(guò)ｒｓ２３２串行口把３路ｎｃｏｕｎｔ、溫度ｔｅｎｖ以及按鍵ｋ１和ｋ２的閉合情況傳送給上位機。數據通信的波特率為１９．２ｋｂｐｓ。數據發(fā)送格式為：
三路計數值和環(huán)境溫度用兩個(gè)字節表示，低位在前，高位在后；ｋ１和ｋ２用一個(gè)字節的低兩位表示，１表示斷開(kāi)，０表示閉合，且ｂｉｔ０代表左鍵ｋ１的閉合情況，ｂｉｔ１代表右鍵ｋ２的閉合情況。上位機接收到各測量值后，根據空間解析幾何法計算出輸入設備在參考坐標系中的位置和姿態(tài)，完成６ｄｏｆ輸入設備的三維定位與定向。并根據按鍵ｋ１和ｋ２的閉合情況，確定所要實(shí)現的操作。
３－ｄ輸入設備的設計關(guān)鍵在于精確的距離測量。為了檢驗本系統測距的精確度和可靠性，我們在實(shí)驗室中把超聲波發(fā)射裝置安裝在機器人ｍｏｖｅｍａｓｔｅｒ－ｅｘ的末端執行器上，這樣機器人的末端執行器就相當于一個(gè)３－ｄ輸入設備，在工作平臺上安裝三個(gè)超聲波接收器。實(shí)驗時(shí)，移動(dòng)機器人到任一位置，通過(guò)本系統測量超聲波發(fā)射裝置在空間參考坐標系中的三維位置(ｘ,ｙ,ｚ)和方向（γ,β,α)（即姿態(tài)，也就是繞ｘ、ｙ和ｚ軸的旋轉角），并和末端執行器的真實(shí)位置與姿態(tài)做比較，測量值和真實(shí)值是一致的。其中，距離測量誤差在滿(mǎn)量程３ｍ的范圍內可達±０．２ｍｍ，三維位置坐標在１ｍ３工作空間內的最大誤差為±３ｍｍ。由于缺乏精確的旋轉角度測試平臺標準，沒(méi)有進(jìn)行有關(guān)旋轉角度的誤差試驗。實(shí)驗表明了這種基于超聲波測距技術(shù)的６ｄｏｆ輸入設備的定位與定向方法的有效性和可靠性。
本文提出了基于超聲波測距技術(shù)的３－ｄ輸入設備的設計原理和方法。除了可提供輸入設備在三維（空間）坐標系中的位置和姿態(tài)的６個(gè)自由度信息外，還克服了傳統機械式、光電式等二維（平面）輸入設備，如鼠標、軌跡球易磨損，易受粉塵影響等缺點(diǎn)�？捎糜跈C器人操作手的空間定位與定向，３－ｄ圖形化人機交互系統的輸入設備，以及虛擬現實(shí)系統中的頭盔跟蹤、視點(diǎn)導航和目標操縱等領(lǐng)域。具有精度高、成本低、易于實(shí)現、抗電磁干擾能力強，對光線(xiàn)不敏感、無(wú)電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)。 | |
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