摘要：頭部跟蹤系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分之一，它的任務(wù)是檢測頭部的姿態(tài)與方位。設(shè)計一種基于兩軸磁阻效應(yīng)傳感器和三軸MEMS加速度傳感器的微型虛擬現(xiàn)實頭部跟蹤系統(tǒng)，首先闡述了系統(tǒng)的基本原理及整體構(gòu)成，其次給出了硬件設(shè)計以及頭部方位、姿態(tài)求解的算法；最后，給出了系統(tǒng)的運行效果。結(jié)果表明，該頭部跟蹤系統(tǒng)可實際應(yīng)用于頭部緩慢轉(zhuǎn)動場合．同時具有體積小、功耗低、性價比高的優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：磁阻效應(yīng)傳感器；加速度傳感器；虛擬現(xiàn)實；頭部跟蹤系統(tǒng)

0 引言
    虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)，亦稱靈境技術(shù)，是一門由應(yīng)用驅(qū)動的涉及眾多學(xué)科的新型實用技術(shù)，常集計算機技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、傳真技術(shù)、微電子技術(shù)等于一體，通過創(chuàng)建一個三維視覺、聽覺和觸覺的環(huán)境，使用戶利用人機對話工具，同虛擬環(huán)境的物體進行交互操作，使用戶仿佛置身于現(xiàn)實環(huán)境之中，達到境界虛擬，感覺真實的效果。在現(xiàn)實世界中，有些環(huán)境人們難于身臨其境或者實現(xiàn)條件過高、費用過大，而虛擬現(xiàn)實卻能超越時間與空問、現(xiàn)實與抽象，將各種無法接觸的環(huán)境再現(xiàn)于人們的面前，為人類發(fā)展提供了一個新的途徑。目前，虛擬現(xiàn)實已應(yīng)用于軍事、教育、醫(yī)學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計、科學(xué)可視化、訓(xùn)練、建筑、娛樂、藝術(shù)等各個方面。
    實時交互性是虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵特征。為了實現(xiàn)人與計算機之間的交互，需要使用專門設(shè)計的輸入／輸出設(shè)備把用戶的命令輸入給計算機，同時把模擬過程中的反饋信息提供給用戶。這些設(shè)備包括大視角的立體顯示器、頭部跟蹤系統(tǒng)、三維聲音系統(tǒng)、觸覺反饋系統(tǒng)和力反饋系統(tǒng)等。其中跟蹤系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實人機交互的關(guān)鍵設(shè)備。如果沒有跟蹤系統(tǒng)，計算機就不能改變空間視圖，以配合用戶頭部的姿態(tài)變化，沉浸感也就蕩然無存。目前虛擬現(xiàn)實跟蹤系統(tǒng)主要有機械跟蹤系統(tǒng)、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、超聲波跟蹤系統(tǒng)、電磁場跟蹤系統(tǒng)等。但較完善的產(chǎn)品價格都很昂貴，對環(huán)境的要求比較嚴格，而且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。利用磁阻效應(yīng)傳感器和MEMS加速度傳感器開發(fā)的虛擬現(xiàn)實跟蹤系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高，而且性價比高，適用面廣。

1 系統(tǒng)基本原理及整體構(gòu)成
    本系統(tǒng)主要由MSP430F149微控制器、兩軸磁阻效應(yīng)傳感器HMCl022、三軸MEMS加速度傳感器MMA7455、藍牙模塊BC04組成。系統(tǒng)運行時，微控制器以lOO Hz的頻率采集磁阻效應(yīng)傳感器和加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并計算出用戶頭部的三維姿態(tài)信息，將其通過藍牙發(fā)送到計算機，計算機根據(jù)用戶頭部的三維姿態(tài)信息展示相應(yīng)的視景，使用戶所看到視景跟隨頭部的運動而變化，產(chǎn)生真實的沉浸感。系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1所示。

    當(dāng)磁阻效應(yīng)傳感器暴露于干擾磁場中時，傳感器元件會分成若干方向隨機的磁區(qū)域，從而導(dǎo)致靈敏度衰減。環(huán)境中的強磁場(大于5×10-4T時)會導(dǎo)致磁傳感器輸出信號變異，為了消除這種影響并使輸出信號達到最佳，就需要應(yīng)用磁開關(guān)技術(shù)(SR+／SR-)來抵消剩余磁場，而HMCl022是借助一個偏置磁場以補償干擾磁場，即通過集成在芯片內(nèi)部的置位／復(fù)位合金帶對薄膜施加3～4 A，20～50 ns的脈沖電流就可以重新將磁區(qū)域?qū)?zhǔn)，統(tǒng)一到一個方向上，這樣可確保高靈敏度和可重復(fù)的讀數(shù)。本系統(tǒng)采用的置位／復(fù)位電路能產(chǎn)生大于4 A的強電流脈沖，從而實現(xiàn)低噪聲和高靈敏度的磁場測量。復(fù)位電路如圖3所示，復(fù)位置位由單片機的I／O引腳進行控制。

2．4 藍牙模塊
    采用重慶金甌公司設(shè)計的BC04藍牙模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)與計算機的藍牙通信。該模塊采用CSR公司的BLLIECORE4-External芯片為核心，具有體積小、功耗低等優(yōu)點。完全遵循藍牙系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和音頻連接。采用USB或UART主設(shè)備接口，最高支持3 Mbps的數(shù)據(jù)速率。本系統(tǒng)中，MSP430單片機通過UART連接藍牙模塊，在與計算機建立藍牙連接后，即可實現(xiàn)透明數(shù)據(jù)傳輸。在保證數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)那闆r下，將波特率設(shè)置為相對低速而穩(wěn)定的9 600 bps(bit／s)，數(shù)據(jù)幀為8Nl模式(8位數(shù)據(jù)位，無校驗位，1位停止位)。

3 方位、姿態(tài)求解算法
3．1 求解航向角
    地磁場磁感應(yīng)強度大約為50～60μT，與地球表面平行的分量總是指向磁北極。在地平面上利用雙軸磁阻效應(yīng)傳感器測定地磁場在磁阻效應(yīng)傳感器的X、Y軸上的分量XH和YH，就可確定在地平面上物體相對于磁北極的方位角φ。設(shè)定方位角φ=0時，磁阻效應(yīng)傳感器的X軸指向磁北極(正前方)，Y軸指向右側(cè)，方位角φ逆時針為正。根據(jù)測定的地磁場分量XH和YH，可計算出方位角φ為：
    

    根據(jù)XH和YH的符號，可以獲得方位角所處的象限，于是可根據(jù)式(2)求得正確的方位角：

式中：θ、γ分別為俯仰角和滾轉(zhuǎn)角；AX、AY分別為加速度傳感器X軸和Y軸輸出；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

4 實驗結(jié)果與展望
    將虛擬現(xiàn)實跟蹤系統(tǒng)佩戴于眼睛平行的位置，建立跟蹤系統(tǒng)與計算機的藍牙通信。本實驗采用的三維視景軟件改自于一款基于OPENGL的共享項目。佩戴者已以左視30°、右視30°、仰視30°、俯視30°的視角觀察計算機屏幕時，計算機顯示圖6景象。

    由此看出，本系統(tǒng)可以根據(jù)佩戴者的視角變化來調(diào)整顯示景象，使佩戴者產(chǎn)生較好的沉浸感。如能將顯示設(shè)備改為頭盔顯示器或大型立體顯示設(shè)備，所帶來的視覺效果將更加逼真，應(yīng)用也更加廣泛。