作者：武漢華中理工大學(xué)控制科學(xué)與工程系（430074） 彭 剛 黃心漢 熊春山 王 敏 來源：《電子技術(shù)應(yīng)用》 摘要：介紹基于超聲波測距技術(shù)的６自由度３－ｄ輸入設(shè)備的設(shè)計(jì)原理。采用檢測渡越時(shí)間的方法，結(jié)合自動(dòng)增益控制（ａｇｃ），自適應(yīng)可變閾值技術(shù)和溫度補(bǔ)償技術(shù)，提高距離檢測精度。經(jīng)過空間解析幾何運(yùn)算，確定輸入設(shè)備在空間坐標(biāo)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(xiàn)的操作。可用于遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中末端執(zhí)行器的定位與定向、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的３－ｄ交互設(shè)備、頭盔跟蹤、視點(diǎn)導(dǎo)航和目標(biāo)操縱等。 關(guān)鍵詞：３－ｄ輸入設(shè)備 定位與定向 超聲波測距 遙操作機(jī)器人 虛擬現(xiàn)實(shí) 傳統(tǒng)的２－ｄ輸入設(shè)備，如鼠標(biāo)，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(biāo)系中的三維位置和方向信息，從而限制了它們在未來３－ｄ圖形化人機(jī)交互界面系統(tǒng)，尤其是遙操作機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用。 當(dāng)前的３－ｄ輸入設(shè)備依據(jù)原理可分為機(jī)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(shè)備具有易于實(shí)現(xiàn)、成本低、對光線不敏感、無電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)，我們采用超聲波測距技術(shù)來實(shí)現(xiàn)具有６個(gè)自由度（ｄｏｆ）的３－ｄ輸入設(shè)備，并結(jié)合自動(dòng)增益控制（ａｇｃ），自適應(yīng)可變閾值技術(shù)和溫度補(bǔ)償技術(shù)，以提高距離檢測精度，從而測得安裝在輸入設(shè)備上的超聲波發(fā)射探頭到三個(gè)接收探頭的距離。經(jīng)過空間解析幾何運(yùn)算，可得３－ｄ輸入設(shè)備在空間坐標(biāo)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(zhuǎn)角），如圖１所示。同時(shí)，檢測３－ｄ輸入設(shè)備上的按鍵狀態(tài)，確定所要實(shí)現(xiàn)的操作。 1 超聲波測距 1.1 測距原理 輸入設(shè)備的三維定位與定向基于一維測距技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)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(shè)備定位與定向系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(fù)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(dá)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(shù)應(yīng)選擇合適，脈沖個(gè)數(shù)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(shù)多，盲區(qū)大，且余振波頭也多。通過實(shí)驗(yàn)，?。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(yīng)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(tǒng)中，ｎ＝４）后開始封鎖計(jì)數(shù)器，獲得渡越時(shí)間（如圖４和圖５），從而不