基于MEMS傳感器的虛擬現(xiàn)實(shí)參觀系統(tǒng)

徐 迅，劉玉生

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）是一種模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的先進(jìn)人機(jī)交互技術(shù)，能夠?yàn)槭褂谜吣M出與現(xiàn)實(shí)中相同的三維圖像世界。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究主要集中在虛擬場景建模開發(fā)和交互控制方法上，常用虛擬場景建模工具主要包括Vega，VRML等;而常用交互控制方法包括傳統(tǒng)鼠標(biāo)鍵盤或者數(shù)據(jù)手套與頭部跟蹤器，其中前者價格低廉但使用不便，后者價格過高，普通應(yīng)用場合難以承受［1，2］。本文提出了一種基于MEMS傳感器、LM3S1138微控制器和Vega虛擬仿真平臺的虛擬現(xiàn)實(shí)參觀系統(tǒng)，用戶通過操縱手柄實(shí)現(xiàn)在虛擬場景中的自由參觀。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、使用方便，只需更改虛擬場景內(nèi)容即可將該系統(tǒng)移植到其他應(yīng)用領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的虛擬現(xiàn)實(shí)參觀系統(tǒng)如圖1所示，由手持模塊和主機(jī)端兩部分組成。

手柄端微控制器根據(jù)地磁場和重力加速度在傳感器各測量軸方向上的分量計(jì)算出當(dāng)前手柄相對于重力加速度軸和地磁場軸的俯仰角和方位角，將這2個角度作為手柄的狀態(tài)變量并根據(jù)手柄初始狀態(tài)計(jì)算出動作指令。然后動作指令通過串口發(fā)送到主機(jī)端，通信驅(qū)動程序根據(jù)接收的動作指令改變虛擬場景視角。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)參觀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of virtual reality touring system

2 手柄模塊設(shè)計(jì)

操縱手柄是樓宇參觀系統(tǒng)的核心組成部分，用戶通過對手柄水平垂直旋轉(zhuǎn)和前后按鍵的操作，實(shí)現(xiàn)在主機(jī)端虛擬場景視角水平360°、垂直180°的全方位變化和虛擬場景中視角位置的前后平移，從而實(shí)現(xiàn)在虛擬場景中參觀的功能，手柄外觀示意如圖2所示。

圖2 手柄外觀示意圖Fig 2 The schematic diagram of joystick appearance

2.1 手柄硬件結(jié)構(gòu)

虛擬樓宇參觀手柄由MMC212磁場傳感器、MXC6202加速度傳感器和LM3S1138微控制器（MCU）組成。兩種傳感器均有X，Y兩測量軸，在每個軸分量上可分別測量±2 Gs的磁感應(yīng)強(qiáng)度和 ±2gn的加速度，并分別以512counts/Gs和512counts/gn的精度通過I2C總線輸出。

圖3 傳感器與手柄位置關(guān)系Fig 3 Position relation between sensors and joystick

傳感器與手柄位置關(guān)系如圖3所示，磁場傳感器與手柄上平面平行，加速度傳感器與手柄側(cè)面平行，初始狀態(tài)下，手柄與地面平行，磁場傳感器X，Y測量軸組成平面垂直于重力加速度，加速度傳感器Y測量軸與重力加速度平行。

在靠近地表處，重力加速度垂直于地面，地磁場近似平行于地面，當(dāng)以重力加速度相反方向?yàn)閆軸，地磁場方向?yàn)閄軸，可得到如圖4所示的三維空間，其中XOY平面與地面平行。圖4中所示三維空間采用慣性坐標(biāo)系，PD表示手柄在空間中正方向，方位角α為PD在XOY平面投影與X軸夾角（0°～360°），俯仰角β為PD與XOY平面夾角（－90°～90°）。PD在空間中的方向可由圖4中的方位角α和俯仰角β唯一決定，因此，選取α，β作為手柄的狀態(tài)變量。磁場傳感器的X，Y兩測量軸對應(yīng)圖中向量MX，MY;加速度傳感器X，Y兩測量軸對應(yīng)圖中向量AY，AZ。由傳感器特性可知，AX，MY和PD平行，AX，AY與Z軸在同一平面且β=β'，β'可由AX，AY求出;同理MYxoy，MX在XOY平面內(nèi)且α=α'，α'可由MX，MYxoy求出，其中

因此，手柄在空間中狀態(tài)完全可以由磁場傳感器和加速度傳感器的測量值計(jì)算得到［3］。

圖4 手柄在三維空間中狀態(tài)Fig 4 State of joystick in 3D space

2.2 狀態(tài)變量計(jì)算

MEMS傳感器輸出數(shù)字量，將待測量物理量±2gn和±2 Gs分別線性映射至0x000～0x7FF的數(shù)字輸出，當(dāng)待測物理量分別為0gn和0 Gs，輸出量為0x400，因此，測量輸出數(shù)字量OD與實(shí)際測量物理量G的關(guān)系可由式（1）表示，當(dāng)G＞0時，待測量物理量在測量軸方向分量為正，G＜0時，待測量物理量在測量軸方向分量為負(fù)

通過分析待測向量在測量坐標(biāo)系中所在象限，計(jì)算得到手柄狀態(tài)變量［4］。圖5所示為手柄正方向在YOZ坐標(biāo)系中分別位于第一和第四象限，其中加速度傳感器AX，AY測量軸輸出實(shí)際測量加速度值Gx和Gy，根據(jù)式（2）計(jì)算得到俯仰角β

圖5 手柄俯仰角計(jì)算示意圖Fig 5 Schematic diagram of pitch angle calculation of joystick

當(dāng)Bx＞0且BYxoy＜0時α∈［π/2，π］，可由式（4）得到

當(dāng)Bx＜0且BYxoy＜0時α∈［π，3π/2］，可由式（5）得到

當(dāng)Bx＞0且BYxoy＜0時α∈［3π/2，2π］，可由式（6）得到

手柄狀態(tài)變量由x=［αβ］T表示樓宇參觀系統(tǒng)對手柄狀態(tài)的精度要求不高，α和β均精到個位，且α∈［0°，360°］，β∈［－90°，90°］，因此，選擇α以9 位編碼;β以8 位編碼。

2.3 動作指令

為減小傳輸數(shù)據(jù)量，手柄模塊微處理器根據(jù)手柄狀態(tài)和按鍵判斷生成動作指令，傳輸?shù)街鳈C(jī)端。

虛擬場景中視角變換動作包括視角上仰、視角下俯、視角左轉(zhuǎn)、視角右轉(zhuǎn)、視角前進(jìn)和視角后退，其中是否發(fā)生前4種動作由判斷手柄狀態(tài)決定，后2種動作由從手柄按鍵獲取。圖6所示為以一個字節(jié)編碼動作指令的方法。

圖6 動作指令編碼規(guī)則Fig 6 Encoding rule of action command

圖6中每一標(biāo)志位為1表示執(zhí)行該動作，否則，不執(zhí)行該動作。

手柄模塊初始化后，系統(tǒng)自動記錄手柄初始狀態(tài)下的狀態(tài)變量x0=［α0β0］T，然后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，每次循環(huán)首先讀取按鍵狀態(tài)，然后獲取手柄狀態(tài)變量xi=［αiβi］T，得到狀態(tài)變化量Δxi=［ΔαiΔβi］T。

其中，Δαi=αi－α0，Δβi=βi－β0.

動作指令碼按照表1所示規(guī)則生成

表1 動作指令生成規(guī)則Tab 1 Generation rules of action command

多個動作可以同步觸發(fā)，例如:視角同時左轉(zhuǎn)、上仰和前進(jìn)，此時動作指令碼為00010101b，但左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)、上仰與下俯、前進(jìn)與后退不能分別同時發(fā)生。

3 主機(jī)端設(shè)計(jì)

主機(jī)端由通信驅(qū)動程序和虛擬場景應(yīng)用程序兩部分組成。通信驅(qū)動程序由C++編寫，根據(jù)接收手柄模塊發(fā)送的動作指令碼，向虛擬場景發(fā)出視角動作。虛擬場景應(yīng)用程序通常需要具備的功能與系統(tǒng)工作流程:

1）可編輯功能，即用戶可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)自己需要的三維虛擬場景模型

2）接口功能，即虛擬場景中視角變換操作與可以由操作系統(tǒng)或其它應(yīng)用程序調(diào)用

本文選擇Vega的Lynx圖形用戶界面作為虛擬場景應(yīng)用程序，選擇Walk漫游方式，通過模擬按下鍵盤鼠標(biāo)協(xié)同控制方式定義中對應(yīng)鍵來實(shí)現(xiàn)視角變換功能;通信驅(qū)動程序根據(jù)接收動作指令，調(diào)用WinIO.dll動態(tài)鏈接庫函通過讀寫8042鍵盤鼠標(biāo)控制器的0x60和0x64寄存器，模擬按下Vega程序中設(shè)定的對應(yīng)鍵盤按鍵操作。例如:當(dāng)動作指令為00010101b（視角同時左轉(zhuǎn)、上仰和前進(jìn)），此時通信驅(qū)動程序模擬同時按下Vega程序中設(shè)定的視角左轉(zhuǎn)、上仰和前進(jìn)按鍵［5］。

3）系統(tǒng)工作流程

手柄模塊程序與主機(jī)端程序異步執(zhí)行，手柄模塊循環(huán)向主機(jī)端發(fā)送動作指令，每次發(fā)送后開計(jì)時器，等待主機(jī)回應(yīng);主機(jī)端以中斷方式接收，收到指令后模擬鍵盤操作同時向手柄模塊發(fā)送成功接收信息（ACK），若手柄模塊等待回應(yīng)超時則重新發(fā)送動作指令，手柄模塊程序流程如圖7所示，圖8（a）所示為手柄模塊定時器超時中斷子程序流程圖，圖8（b）所示為手柄模塊串口接收中斷子程序流程圖，圖8（c）所示為主機(jī)端串口接收中斷子程序流程圖，圖8（d）所示為主機(jī)端通信驅(qū)動程序流程圖。

圖7 手柄模塊程序流程Fig 7 Program flow chart of joystick module

4 測試結(jié)果

為測試系統(tǒng)能否準(zhǔn)確感應(yīng)狀態(tài)變化并發(fā)出正確動作指令，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)，假設(shè)圖4中|PD|=1，首先單獨(dú)在水平和垂直方向轉(zhuǎn)動手柄，直到手柄發(fā)出視角變化指令，然后在空間中任意方向轉(zhuǎn)動手柄，記錄指令發(fā)出和變化邊緣狀態(tài)變量序列{xi|i=1，2，…N}，其中，xi=［αiβi］T，由此得到球坐標(biāo)序列{Pi|Pi=［|PD|］T}，該坐標(biāo)序列表示的空間曲線在Y-Z平面內(nèi)投影如圖9所示。

圖9中理論指令邊界和實(shí)測指令邊界分別將Y-Z平面分割成9個子區(qū)域，當(dāng)PD端點(diǎn)在Y-Z平面內(nèi)投影分別在子區(qū)域I至IX時，對應(yīng)發(fā)出指令如表2所示。

圖8 系統(tǒng)程序流程圖Fig 8 Flow chart of system program

圖9 動作指令Y-Z平面內(nèi)投影邊界Fig 9 Action command edge projected on plane Y-Z

此外，從圖9可以看出:系統(tǒng)在實(shí)際使用中動作指令邊界與理論邊界在手柄狀態(tài)變化量Δα，Δβ在超出判斷閾值不大時基本吻合，但偏轉(zhuǎn)角度過大時兩組邊界存在一定偏差，該偏差主要是由于在使用中，人手轉(zhuǎn)動導(dǎo)致手柄繞PD軸旋轉(zhuǎn)一定角度，系統(tǒng)存在未測量的橫滾角。

表2 區(qū)域指令對照表Tab 2 Area and command comparison

5 結(jié)論

該系統(tǒng)根據(jù)加速度和磁場傳感器測量結(jié)果，計(jì)算得出手柄狀態(tài)變量，動作指令通過串口傳送到主機(jī)端，在Vega虛擬場景中完成相應(yīng)虛擬場景動作，實(shí)測結(jié)果表明:在使用當(dāng)中手柄能夠根據(jù)用戶操作發(fā)出正確的動作指令，且在偏轉(zhuǎn)角度不大時實(shí)測動作指令邊緣與理論邊緣相差不大，能夠得到滿意的性能。

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