支持嵌入式Web服務器的多層級力覺交互仿真

余 景

(西安石油大學，陜西 西安 710065)

1 引言

現(xiàn)階段隨著網(wǎng)絡(luò)信息以及嵌入式系統(tǒng)[1]技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式接入Internet端口服務器已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)服務器中廣泛應用，因為其可以運用本身的通用性以及交互性來為嵌入式設(shè)備提供新的網(wǎng)絡(luò)端口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控。

多層級力覺交互技術(shù)[2]是指在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建一個既模擬又真實的場景，保證操作過程具有良好且真實的環(huán)境感受。在虛擬場景構(gòu)建中，為了打造相對逼真的模擬物理場景，需要把該場景中的全部物體特征反饋給操作者。在交互過程中，所應用的場景信息均是肉眼可見的視覺信息，在此基礎(chǔ)上，借助一定的工具對模擬環(huán)境進行具體操作，由此來感受該環(huán)境帶來的反作用力。同時為了加強交互系統(tǒng)整體的真實感，需要結(jié)合圖顯和力覺顯示，才能夠明顯的感受出力覺交互。

力覺交互系統(tǒng)是一個擁有反饋能力的人機交互設(shè)備，這個系統(tǒng)還可以讓實際運行者對虛擬環(huán)境中的物體進行實際操作，以實現(xiàn)感受到物體反作用力[3]的目的。

宋達等人[4]設(shè)計一種結(jié)合虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)的柔索牽引式力覺交互機器人。首先，根據(jù)微重力環(huán)境中物體的運動特性設(shè)計機器人構(gòu)型，建立移動平臺、驅(qū)動單元、人推物體運動過程的動力學模型并進行運動學分析。然后，針對系統(tǒng)冗余驅(qū)動及力控制任務，提出一種復合控制策略，即以柔索長度變化為速度控制內(nèi)環(huán)，力的外環(huán)控制為力/速混合控制，完成力覺交互研究。

王坤等人[5]提出采用基于位置的流體來模擬剛體工具與流體的交互。該方法在傳統(tǒng)光滑粒子動力學算法的基礎(chǔ)上進行改進，基于CUDA并行計算平臺實時模擬交互過程，并結(jié)合力覺交互設(shè)備實時輸出交互力，完整二者之間的在線交互變化研究。

但是上述兩種方法的模擬過程過于復雜，且模擬場景真實性較差?；诖?，提出支持嵌入式Web服務器的多層級力覺交互方法，在嵌入式Web服務器的基礎(chǔ)上添加離散LOD模型，獲取相對應的多層級力覺交互序列號。根據(jù)SCP層級映射算法，獲得模型的速度參數(shù)值以及切換速度，完成力覺交互。

2 嵌入式Web服務器框架設(shè)計

通常情況下，嵌入式服務器會將Web引入到控制測試設(shè)備中，在擁有相對硬件、軟件系統(tǒng)支持的情況下，讓該技術(shù)變成底層通信協(xié)議，形成以Web為中心的網(wǎng)絡(luò)測試和控制端口設(shè)備。該設(shè)備的具體執(zhí)行功能是：網(wǎng)絡(luò)頁面信息發(fā)布，其中包括靜態(tài)與動態(tài)信息；提供固定接口，進行有效的檢測設(shè)備連接。由于這項技術(shù)的公共開放性和本身獨有的平臺特性，在一定程度上會大幅度減少軟件系統(tǒng)設(shè)計以及維護工作的難度，從根本上提升對連接端口設(shè)備的管理能力。

常見的嵌入式系統(tǒng)有Boa、httpd等系統(tǒng)，其中Boa[6]是一個運行在整體系統(tǒng)中的單獨服務器，它的特征是小巧便捷，所以更加適合用于嵌入式環(huán)境。在Boa運行中，假設(shè)有兩個用戶同一時間內(nèi)進行訪問，那么就會出現(xiàn)其中某一用戶必須等待的情況，該服務器會形成一個獨立的進程步驟來處理這一情況，因此便會占用少部分的資源，具體的服務器結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 Web服務器結(jié)構(gòu)圖

嵌入式系統(tǒng)運用單片機及以太網(wǎng)控制器作為整個服務器的核心電路。其中采用具有16位的單片機，該單片機同時擁有16個通道、10位模擬數(shù)學轉(zhuǎn)換器，它的優(yōu)點是具有較高的適用性以及更好的系統(tǒng)擴展性。傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)選擇以太網(wǎng)的目的是完成PC機系統(tǒng)設(shè)計，在實際運用中這些組成器件都具有結(jié)構(gòu)復雜且體積過大的缺點。嵌入式Web服務器在一般情況下采用協(xié)同式任務處理方式，可以與Microchip TCP/IP協(xié)議棧和主應用程序共存。

3 基于速度驅(qū)動的力覺渲染

3.1 速度驅(qū)動模型構(gòu)建

根據(jù)人們接觸某種物體的感覺規(guī)律，在人與虛擬環(huán)境進行力覺交互的過程中，交互速度和操作人員感覺到的物體特征之間存在必要關(guān)系。相關(guān)實驗證明，當所探測物體平面的曲率取值過高時，探測操作者便會自動降低探測LOD模型[7]的整體速度。

此外，在實際的交互過程中因為具體的交互速度具有明顯差異，因此會直接導致計算耗時和復雜程度有所不同。在碰撞檢測算法中，用HIPi表示力覺設(shè)備點的基本位置，HIPi-1則表示上一次循環(huán)時力覺設(shè)備點的位置，SCPi-1表示上一次循環(huán)時虛擬工具點的位置，那么循環(huán)軌跡線段長度就可以定義為li=|HIPi-1HIPi|。用vi描述循環(huán)時人機交互的速度，即交互運動設(shè)備的運動速度，則循環(huán)軌跡線段長度可以表示為

li=T·vi

(1)

其中，T表示循環(huán)耗時。

根據(jù)上式可得知，軌跡線段的具體長度與運動速度成正比例關(guān)系。在交互過程中，操作人員的手速越快，就會出現(xiàn)具體運動軌跡越長的情況，在這其中經(jīng)過碰撞檢測的三角片[8]也會出現(xiàn)迭加，這一情況也間接的讓力覺循環(huán)耗時變長，從而直接影響交互結(jié)果的真實性。

根據(jù)上述分析可知，在滿足力覺真實性的前提下，虛擬模型可以支撐的整體交互時間與相對模型之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，并且可以得知在運行過程中，交互過程用時越短，對應的模型復雜度就會越小，是一種整體呈遞減性的函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)線性規(guī)律可以得知創(chuàng)建LOD模型的基本思想。所以依據(jù)下圖2，提出基于LOD模型的速度驅(qū)動模型，在該模型中層級越小就會越細致，而細致程度會隨著具體序列號的提升而逐漸遞減。

圖2 速度驅(qū)動模型

根據(jù)上圖2可知，圖中層級的切換精準度是由不同模型的需求決定的，其中速度參數(shù)值則需要根據(jù)不同模型的實驗來確定。因此需要針對不同層級模型進行交互計算，根據(jù)計算結(jié)果確認能否滿足模型的限制速度閾值條件，從而確定模型的速度參數(shù)值以及切換速度。

在實際交互操作中，假設(shè)三個層級中前兩個層級需要進行切換，其中L0與L1之間的切換速度V01，L1和L2之間的切換速度V12。在應用速度驅(qū)動LOD力覺渲染算法的過程中，當速度小于或等于V01時，就會采用相對精細的層級L0，當速度高于V01且小于V12時，將采用中間的層級L1，最后當速度大于等于V12時，則會采用相對較粗糙的層級L2。

在進行力覺交互的過程中，需要先計算出相對交互速度，然后得出目標多層級的序列號，設(shè)置對應交互層級從而完成LOD速度驅(qū)動模型的構(gòu)建。

3.2 多層級力覺交互映射算法

在對上述模型進行驗證后，發(fā)現(xiàn)在層級切換過程中存在明顯的振動幅度，因此在對振動原因分析后，在LOD速度切換模型的基礎(chǔ)上提出SCP多層級映射算法。振動是由于層級之間的結(jié)構(gòu)誤差而導致的，為了解決這一問題，映射算法的整體研究過程如下：

首先如下圖所示，在交互速度減緩的時候，虛擬環(huán)境中的交互模型需要對其進行切換層級，從力覺渲染[9]的整體過程可以明顯看出之前的碰撞結(jié)果，并且目前的交互狀態(tài)也正位于某一碰撞的發(fā)生階段。根據(jù)映射來對SCPi進行求解，從而確保多層級力覺交互的連續(xù)性，并且消除振動感。

圖3 多層級映射圖

其次為了可以在實際操作中更明顯的指出某一處問題，通過映射交互算法判定映射約束線段[10]和映射約束包圍盒單元[11]，具體過程分別如下所示：

(2)

(3)

2)映射約束包圍盒單元：根據(jù)上述映射線段即可將其包圍盒單元看做是一個完全相交的哈希單元，如圖4所示，在計算出Li上的某一點SCPi時，就要將p1和p2的網(wǎng)格交點進行計算，便可通過網(wǎng)格之間的聯(lián)系將三角片和p1p2進行交點計算，進一步得出SCPi。

圖4 映射約束線段、包圍盒單元

在完成上述映射交算法判定的基礎(chǔ)上，采用GHOST SDK計算二者的正交函數(shù)，具體計算過程如下所示：

選擇一條長度為L的約束線段；

依據(jù)SCPi和Fi-1來構(gòu)建映射約束，并且對映射約束包圍盒集合進行計算；

對包圍盒單元進行探測，尋找具有關(guān)聯(lián)性的三角片，假設(shè)有對應關(guān)聯(lián)的三角片，那么將根據(jù)具體理論判斷是否與映射線段之間有交點，相交則進行記錄，不相交則判定包圍盒是否結(jié)束[12]。

4 力覺交互的穩(wěn)定性分析

在實際操作力覺交互系統(tǒng)時，需要確保力覺交互設(shè)備、構(gòu)建的虛擬環(huán)境以及被動操作者阻抗組合后系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。在一般的虛擬環(huán)境性質(zhì)下，兩個端口系統(tǒng)絕對穩(wěn)定的理論可以計算出確保系統(tǒng)穩(wěn)定性的虛擬環(huán)境參數(shù)范圍，則系統(tǒng)的整體混合參數(shù)方程為：

(4)

Re(Yep·fh)≥0

(5)

其中，Re(.)表示穩(wěn)定性函數(shù)，Yep表示力覺交互設(shè)備和構(gòu)建的虛擬環(huán)境參數(shù)值。

在純質(zhì)量虛擬環(huán)境中，系統(tǒng)針對虛擬環(huán)境的模擬能力是根據(jù)虛擬環(huán)境質(zhì)量范圍來判定的。其中系統(tǒng)絕對穩(wěn)定的必要條件為：

Yep≥2Ktr-mω2

(6)

其中，Ktr表示穩(wěn)定參數(shù)，m表示穩(wěn)定干擾系數(shù)，ω表示范圍指數(shù)。

當范圍指數(shù)ω=0時，上式的右側(cè)將會選取最大值，因此則有：

Yep≥2Ktr

(7)

根據(jù)式(7)可以完成系統(tǒng)穩(wěn)定性的估測。

5 仿真研究

為了驗證支持嵌入式Web服務器的多層級力覺交互方法的綜合性能，進行對比實驗。在實際仿真中，將對多種不同精度的層級進行切換速度的交互實驗，經(jīng)過不同的實驗場景來進一步證明復雜程度以及層級(具體是指上述中的三角片數(shù)量)、實際操作中層級之間的切換速度以及算法之間的穩(wěn)定性關(guān)系。實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置

根據(jù)表1中的實驗參數(shù)設(shè)置進行仿真驗證實驗，并將所提方法與基于虛擬現(xiàn)實以及基于位置的交互方法進行對比驗證。

5.1 平面滑動探查試驗

首先構(gòu)建出正方形平面，這個平面在坐標系處于xOy平面中，其中心點與坐標原點重合。根據(jù)所提出的方法，對交互過程中的穩(wěn)定性影響以及場景影響的交互速度進行分析。為了得知變量對穩(wěn)定性的影響因素，實驗分為以下部分：

1)在一定程度上對交互實驗中的三角片進行數(shù)量控制，并且單獨分析不同的復雜場景對穩(wěn)定性的具體影響；

2)在固定三角片數(shù)量的場景下，再次研究交互的速度對穩(wěn)定性的影響。

下列將詳細描述本次仿真的結(jié)果：

交互場景整體復雜度對穩(wěn)定性的影響，針對場景三角片數(shù)量分別為800與5000兩種情況，進行快速(平均速度120mm/s以上)滑動交互，其輸出力信號及相對應的速度曲線分別如下圖所示。圖5(a)中曲線和圓圈分別表示x，y方向的力信號，圖5(b)中曲線表示z方向的速度信號。

圖5 三角片數(shù)量800的力覺曲線、速度曲線

根據(jù)圖5、圖6可以得知，在場景層級數(shù)量少的時候，進行相對加速與減速的估測，力覺信號都會很穩(wěn)定，并且這時的效果是最真實的，但由于此步驟為平面探查實驗，所以在圖5中橫軸與縱軸的方向分力都是0，當交互工具進入自由空間時，z方向的分力也將會是0。反之，當交互層級一直疊加到5000的時候，如圖6所示，橫軸與縱軸方向變發(fā)生了變化，三個方向也同時都發(fā)生了力覺改變，這時在實驗中操作人員就可以感受到了交互設(shè)備的振動感，從而導致不滿足于必要的交互條件。

圖6 三角片數(shù)量5000的速度曲線

5.2 受力分析精準性對比

對力覺交互系統(tǒng)的受力情況進行分析，可以增加操作人員的施力準確性，從而完成精準的力覺交互，因此對比不同方法對力覺交互系統(tǒng)的受力分析精準性是極其重要的。將所提方法與基于虛擬現(xiàn)實以及基于位置的交互方法進行對比驗證。受力分析精準性對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 受力分析精確性對比

分析圖7可知，在實驗次數(shù)不斷增加的情況下，所提方法的受力分析精準程度時鐘保持在90%以上，而兩種對比方法的受力分析精準性均小于所提方法，兩種對比方法的最低受力分析精準性均在60%以下，遠低于所提方法。

6 結(jié)論

現(xiàn)階段隨著網(wǎng)絡(luò)信息的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的力覺交互方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有力覺交互的基本需求，因此提出支持嵌入式Web服務器的多層級力覺交互的方法。在Web服務器的基礎(chǔ)上提出一種離散LOD速度驅(qū)動模型，然后通過對其模型的計算，獲取出對應的目標多層級交互序列號。根據(jù)SCP層級映射算法，判定映射約束線段、映射約束包圍盒單元，最后針對該算法，進行力覺交互的穩(wěn)定性分析。仿真實驗結(jié)果表明，所提方法可以有效解決在力覺交互過程中出現(xiàn)的振動現(xiàn)象，并且具有較高的穩(wěn)定性與適用性。