虚拟现实中电磁跟踪技术的研究

论文摘要

虚拟现实技术是一个综合了计算机图形学、多媒体技术、计算机仿真技术、图象处理、模式识别、传感探测技术等综合学科的技术。当今世界,随着科技的发展、计算机性能的提高,虚拟现实技术已经开始应用于各种军民领域中。跟踪技术是虚拟现实技术中的重要组成部分之一。在不同的虚拟现实技术的应用领域中,首先都要让计算机确切知道操作者在虚拟环境中所在的位置,这就用到了跟踪技术。目前,跟踪技术主要有电磁式、机械式、光电式、超声式、惯性式和地磁式等六种,它们各有优缺点,在此研究其中的一种跟踪技术——电磁式跟踪技术。六自由度电磁跟踪系统是虚拟现实系统中实现浸没感和人机交互的重要设备之一探讨如何研制一套性能优良且成本较低的六自由度电磁跟踪系统具有十分重要的理论意义和实际应用价值。课题对跟踪技术中一种——电磁跟踪技术进行了重点的比较全面的分析与研究,它的研制涉及到许多领域的知识,主要包括电磁学、电工学、计算机图形学和单片机等相关的基础知识。设计出电磁式跟踪系统的结构框架后,依据电磁学理论和相关数学方面的知识推导出六自由度电磁跟踪系统的跟踪算法。之后以单片机为依托平台,产生PWM方波信号,来实现电磁信号的产生、再用多路分配电路把产生的电磁信号分成3路,经过信号放大电路把信号放大后,驱动三轴电磁发射线圈向空间发射电磁波。用电磁线圈作为电磁接收器接收空间的电磁场,在功率放大器将信号放大后,进行模数转换,再用跟踪算法将数字信号处理后用液晶显示器显示跟踪结果。其中用C语言编写PWM、AD、LCD和跟踪算法的单片机程序,并在实验室硬件技术条件的支持下,用Protel DXP软件设计电磁跟踪系统的电路图。在用实验板实验验证后,设计并制作PCB板,从而完成六自由度交流式电磁跟踪系统的设计与制作。之后对开发出的电磁跟踪系统进行测试实验,从而对虚拟现实中的电磁跟踪技术做出了有效的探索研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 虚拟制造
• 1.1.2 虚拟现实
• 1.2 现代跟踪技术
• 1.2.1 电磁跟踪器
• 1.2.2 机械跟踪器
• 1.2.3 超声跟踪器
• 1.2.4 光电跟踪器
• 1.2.5 惯性跟踪器
• 1.2.6 地磁跟踪器
• 1.3 与课题有关的国内外研究现状
• 1.3.1 国外跟踪系统的研究现状
• 1.3.2 国内跟踪系统的研究现状
• 1.4 课题的主要研究工作
• 第2章 电磁跟踪系统的基本原理和算法研究
• 2.1 虚拟现实中的各种跟踪技术
• 2.2 电磁跟踪器的分类
• 2.2.1 交流式电磁跟踪器
• 2.2.2 直流式电磁跟踪器
• 2.3 六自由度电磁跟踪器的组成
• 2.4 六自由度电磁跟踪算法
• 2.4.1 六自由度电磁跟踪系统的方位定义
• 2.4.2 通电螺线管的磁场感应
• 2.4.3 矩阵变换推导
• 2.4.4 未知变量求解
• 2.5 算法改进
• 2.6 本章小结
• 第3章 电磁跟踪系统的设计
• 3.1 整体设计方案
• 3.2 单片机的选择
• 3.3 三轴正交发射线圈
• 3.3.1 发射线圈理论
• 3.3.2 带铁芯和不带铁芯的电磁线圈
• 3.4 信号产生与控制电路部分
• 3.4.1 发射部分总体方案初步设计
• 3.4.2 开关三极管的选择
• 3.4.3 PWM信号的产生
• 3.4.4 大功率三极管的选择
• 3.4.5 发射线圈的制作
• 3.4.6 发射部分最终方案设计
• 3.5 常见的电磁探测方式
• 3.6 直流式电磁跟踪器的接收
• 3.6.1 三轴电磁传感器
• 3.6.2 单轴和双轴的电磁传感器
• 3.6.3 A/D转换器的选取
• 3.7 交流式电磁跟踪器的接收
• 3.7.1 线圈的选择
• 3.7.2 有源滤波器的设计
• 3.7.3 功率放大器的选择
• 3.7.4 整流和分压电路的设计
• 3.7.5 A/D转换部分的实现
• 3.8 LCD液晶显示部分
• 第4章 电磁跟踪系统的实验验证
• 4.1 单轴测量实验
• 4.2 实验结果与误差分析
• 4.3 交流式电磁跟踪系统
• 4.4 误差分析与改进方案
• 第5章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢