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.

表1　沿Cξ轴移动时跟踪器的基准标称坐标与测量坐标