基于超聲波原理的直升機駕駛員頭部位置檢測方法研究*

莊江祥，唐相實，夏蒞豐，李思宇，張 凡

(吉林大學，吉林長春 130021)

0 引言

在直升機飛行駕駛模擬器中，為增強由多顯示器組成的視景系統(tǒng)的“沉浸感”，需要動態(tài)監(jiān)測駕駛員頭部位置，從而根據(jù)該位置計算呈現(xiàn)在各個顯示器中的圖像，達到視景的“無縫結合”。駕駛員的頭部與檢測裝置之間的連接形式設計必須為無線連接，保證飛行員的頭部移動不受連線長度的限制。而超聲波測距技術是一項非接觸式的實用測距技術，它具有傳播距離遠、能量消耗少、聚向性能佳等優(yōu)勢。由于在空氣中波速較慢，因此容易檢測出反射信號的信息，具有很強的分辨能力。同時，它能做到實時控制和檢測可靠優(yōu)勢而使其具有很高的工業(yè)實用價值，因此它被廣泛地應用，而且價格相對低廉，不會給企業(yè)和個人使用增加太多的成本負擔［1］。駕駛員頭部位置檢測的本質是獲得頭部“視點”(等效于人眼的某點)相對于駕駛艙連體坐標系的三維坐標，即空間點的三維坐標檢測。三維坐標檢測是現(xiàn)代生產、生活必不可少的檢測術，其測量范圍涵蓋廣，既包含地球、城市等大尺度物體的三維測量，也包含飛機、船舶、建筑、汽車等中等尺度物體的三維檢測，同時，隨著納米工業(yè)的興起，三維坐標測量也已經進入納米尺寸時代［2］。根據(jù)測量對象的不同，其測量方法也各不相同，目前中等尺度檢測方法主要有三維坐標測量機、激光跟蹤儀、機器視覺坐標測量機等，這些測量設備，成本高，不利于其大范圍的推廣使用，而該研究成果可推廣到所有需要檢測空間點三維坐標的領域，具有廣闊的應用前景。

1 駕駛員頭部位置檢測流程

本文利用超聲波測距原理來實現(xiàn)駕駛員頭部位置檢測。由于超聲波發(fā)射器位于駕駛員頭部，為了不影響駕駛員的正常操作，需要將超聲波發(fā)射器與接收器之間的連接形式設計為無線連接。將一個超聲波發(fā)射器駕駛員頭盔上，將多個超聲波接收器安裝在駕駛艙的某些固定點，利用無線電信號控制發(fā)射器與接收器之間的時間邏輯，根據(jù)超聲波測距原理可以測量出發(fā)射器到各個接收器之間的距離，因為接收器在空間的位置不變，可認為是已知，所以可以建立以發(fā)射器在空間的三維坐標為變量的各個距離的方程，聯(lián)立方程即可求出發(fā)射器的三維坐標，即實現(xiàn)了駕駛員頭部位置檢測。

該系統(tǒng)的工作流程圖1所示，首先，由接收控制器通過無線接法器向發(fā)射控制器發(fā)出發(fā)射開始的控制信號，發(fā)射控制器接到該信號便會發(fā)出超聲波，三個超聲波接收器接收到超聲波后，經接收控制器計算出發(fā)射器的三維坐標，并將其放置于內部存儲器中，然后，接收控制器繼續(xù)發(fā)送發(fā)射開始的控制信號，重復上述過程，這樣使得接收控制器的存儲器中始終存在一組發(fā)射器的三維坐標，當控制計算機詢問發(fā)射器坐標時，可以直接將其讀取，無需經歷超聲波發(fā)射和接收的過程，從而保證了實時性。

圖1 系統(tǒng)的工作流程

2 超聲波三維坐標檢測裝置的組成

圖2為超聲波發(fā)射接收裝置的工作框圖。超聲波傳感器以單片機為核心控制部分，組成部分為:4個“超聲波接收模塊”、1個“超聲波測距發(fā)射模塊”、2個增加了無線通訊的“超聲波測距控制模塊”。因為超聲波發(fā)射和接收固定在不同位置，需要通過無線通訊同步，實現(xiàn)計時，故在基本的控制模塊上增加了無線通訊部分，PC端通過無線傳輸模塊實現(xiàn)對接收控制模塊和發(fā)射控制模塊的控制及數(shù)據(jù)的傳輸。

其基本工作原理為:利用固定在駕駛員頭部上的超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波信號，由布置在定位區(qū)周圍的超聲波接收模塊接收，測出發(fā)射器距各個接收器的距離，用幾何算法即可得到發(fā)射點相對于接收點的位置，實現(xiàn)定位。

使用了4個超聲波接收模塊，這樣就能得到4個距離，每3個距離能測出一個駕駛員頭部的坐標，4個距離排列組合就能算出4個坐標，取平均值則能提高坐標的精確度。在實際應用中，可以根據(jù)實際情況相應地改變增加超聲波接收器的數(shù)量。

圖2 超聲波發(fā)射接收裝置的工作框圖

3 三維坐標計算方法

超聲波三維坐標測量原理圖，如圖3所示。點P為駕駛員頭部上的某點，為待測點，在該點上放置一超聲波發(fā)射器，在空間中3個固定點A、B、C處分別放置三個超聲波接收器，其在坐標系oxyz中的坐標已知，設利用超聲波測距原理測得的PA、PB、PC的距離分別為la、lb、lc，則可建立以點P坐標為變量q-=［x y z］T的非線性方程組:

對上述方程組進行聯(lián)立求解便可求出點P的坐標。對于非線性方程組，一般采用牛頓迭代法進行求解，該方法的關鍵是選取合適的迭代初值，本課題中，可認為點P的初始位置是已知的，將其作為初值進行迭代，將計算得到的新的點P的坐標作為下次迭代的初值。牛頓迭代法第i步的迭代公式如下:

圖3 超聲波三維坐標測量原理圖

4 測試系統(tǒng)的檢測精度及測量范圍

檢測精度和測量范圍是系統(tǒng)的重要指標，需要對系統(tǒng)進行必要的后期調試及測量重要指標。如圖4所示，為超聲波三維坐標測試實驗臺示意圖，接收器座板上密布用于放置超聲波接收器的孔;發(fā)射器座板上可以放置超聲波發(fā)射器，并能沿各個軸移動，軸上的移動通過電動推桿來實現(xiàn)。超聲波接收器可放置于接收器底板的任意孔內，以便于測試不同的接收器位置對檢測精度的影響;超聲波發(fā)射器放置于發(fā)射器底板孔內，其可在一定范圍內沿著各個軸線方向任意移動，從而可以檢測系統(tǒng)的測量范圍。在超聲波測量

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