遥操作机器为系统中6自由度输入设备的设计

作者：武汉华中理工大学控制科学与工程系（430074） 彭 刚 黄心汉 熊春山 王 敏 来源：《电子技术应用》 摘要：介绍基于超声波测距技术的６自由度３－ｄ输入设备的设计原理。采用检测渡越时间的方法，结合自动增益控制（ａｇｃ），自适应可变阈值技术和温度补偿技术，提高距离检测精度。经过空间解析几何运算，确定输入设备在空间坐标系中的位置和姿态。同时，检测按键的状态，确定所要实现的操作。可用于遥操作机器人系统中末端执行器的定位与定向、虚拟现实系统的３－ｄ交互设备、头盔跟踪、视点导航和目标操纵等。 关键词：３－ｄ输入设备 定位与定向 超声波测距 遥操作机器人 虚拟现实 传统的２－ｄ输入设备，如鼠标，轨迹球和绘图板等只能提供二维（平面）位置信息，不能提供其在空间坐标系中的三维位置和方向信息，从而限制了它们在未来３－ｄ图形化人机交互界面系统，尤其是遥操作机器人和虚拟现实系统中的应用。 当前的３－ｄ输入设备依据原理可分为机械式、电磁式、光学式、声学式和惯性式等[１]。由于声学式的３－ｄ输入设备具有易于实现、成本低、对光线不敏感、无电磁辐射等优点，我们采用超声波测距技术来实现具有６个自由度（ｄｏｆ）的３－ｄ输入设备，并结合自动增益控制（ａｇｃ），自适应可变阈值技术和温度补偿技术，以提高距离检测精度，从而测得安装在输入设备上的超声波发射探头到三个接收探头的距离。经过空间解析几何运算，可得３－ｄ输入设备在空间坐标系中的６个自由度信息：位置（ｘ，ｙ，ｚ）和方向（γ，β，α）（即姿态，也就是绕ｘ、ｙ和ｚ轴的旋转角），如图１所示。同时，检测３－ｄ输入设备上的按键状态，确定所要实现的操作。 1 超声波测距 1.1 测距原理 输入设备的三维定位与定向基于一维测距技术。要实现三维定位与定向，就需要获得发射点到接收点的距离值。超声波测距的方法有多种：如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等[２]。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。本文采用渡越时间检测法，其原理为：检测从发射换能器发出的超声波，经气体介质传播到接收换能器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体介质中的声速相乘，便可得到超声波发射器和接收器之间的距离。 在３－ｄ输入设备定位与定向系统中，选用工作频率为４０ｋｈｚ的ｐｚｔ５压电陶瓷振动模式的超声波换能器。超声波测距原理结构框图如图２所示。三路超声波发射接收框图都相同，图２只画出了一路超声波发射接收框图。 1.2 渡越时间检测 时序电路控制超声波换能器以固定的时间间隔来发射超声波。电路时序及各信号波形如图３所示[３]。 整个电路的时序由ｔｒｉｇｇｅｒ信号控制。ｃｏｎｔｒｏｌ信号由ｔｒｉｇｇｅｒ信号负跳沿触发，它把触发周期ｔ１和ｔ２合并为一个检测周期，这样是为了达到可变阈值检测的目的。其中，ｔ１为精密峰值检测周期，ｔ２为可变阈值检测周期。ｇａｔｅ信号是为了屏蔽虚假接收波。ｗａｖｅ信号为超声波发射及接收信号。发射的脉冲数应选择合适，脉冲个数多有不少优点：脉冲能量大，受其它声波模式影响较小等；但脉冲个数多，盲区大，且余振波头也多。通过实验，取４个脉冲。ｐｅａｋ信号是精密峰值信号，由积分充电电路得到。由于接收波随距离增加迅速衰减，为了使接收波的幅值不随测量距离的变化而大幅度地变化，采用可变增益控制（ａｇｃ）技术，有利于获得精确的距离信息。 ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ信号为自适应可变阈值信号，它反映前一周期接收波信号的幅值大小。相邻两个接收波信号的峰值相差不大，将ｔ１周期得到的精密峰值乘以一个比例因子，得到ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ信号，作为ｔ２周期的阈值，和ｗａｖｅ信号相比较，保证每次在同一个接收波头（在本系统中，ｎ＝４）后开始封锁计数器，获得渡越时间（如图４和图５），从而不