連續(xù)超聲波位置跟蹤器的設計原理及其在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的應用實現(xiàn)

圖4　數(shù)字鑒相器的工作波形圖

　　至于該測距系統(tǒng)的電路設計、實驗結果和性能分析請參考文獻［7］.
　　2.位置跟蹤器設計
　　利用超聲波測距原理，分別測量出發(fā)射器到三個接收器之間的距離L1、L2和L3，根據(jù)式(2)即可計算出發(fā)射器T在定坐標系Cξηζ中的位置坐標(Tξ，Tη，Tζ).因此，超聲波三自由度位置測量跟蹤系統(tǒng)的設計框圖如圖5所示，其中三個測距單元由一個共同的超聲波發(fā)射機和三個獨立的超聲波接收機構成，其設計原理框圖分別參見圖2和圖3.

圖5　超聲波位置跟蹤器的原理框圖

四、實驗結果與分析
　　圖6所示的曲線是該測距單元的測量值與基準標稱值之間的關系，它反應了該測距系統(tǒng)具有良好的線性度，在1.5m的測量范圍內測距精度和分辨率可達±3mm，動態(tài)刷新頻率達150Hz.

圖6　測距結果與標稱距離的比較

　　實驗中使用發(fā)散角α=60°的換能器，測距單元的距離測量范圍為30cmL150cm，限定發(fā)射器最大測量高度滿足hmax120cm，要求坐標分辨率滿足ΔTξ=ΔTη=ΔTζ1cm、誤差滿足eξ=eη=eζ1cm的條件下，接收器的分布邊長設計為2a=80cm，在此條件下，位置跟蹤器的坐標測量范圍為(80cm,80cm,120cm).
　　表1是當發(fā)射器(即被跟蹤目標)僅沿Cξ軸移動時位置跟蹤器的測量值與基準標稱值之間的對應關系.表2是當發(fā)射器(即被跟蹤目標)僅沿Cη軸移動時位置跟蹤器的測量值與基準標稱值之間的對應系，表3是當發(fā)射器(即被跟蹤目標)僅沿Cζ軸移動時位置跟蹤器的測量值與基準標稱值之間的對應關系，它們反應了該位置測量系統(tǒng)具有良好的線性度和測量精度，能夠滿足虛擬場景人機交互設備的要求.

表1　沿Cξ軸移動時跟蹤器的基準標稱坐標與測量坐標