遥操作机器人系统中6自由度输入设备的设计
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2020-10-26
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遥操作机器人系统中遥操作机器人系统中6自由度输入设备的设计自由度输入设备的设计
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。
摘 要：摘 要： 介绍基于
关键词：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 超声波测距超声波测距
1.1 测距原理测距原理
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)，从而不受接收波幅值大小的影
响，提高了测量的精度。
1.3 距离计算和温度补偿距离计算和温度补偿
超声波发射点到接收点的距离D为：
因此，温度每变化1度，声波的速度变化0.6(mm/ms)。若渡越时间达到9ms(距离约为3m)，就会产生约5mm的误差。温
度变化2度时，则产生约1cm的误差，因而必须进行温度补偿。
用4MHz的方波信号作为计数脉冲，计数器的时间分辨率为Tres＝0.25×10－3(ms)。设在渡越时间ttof内，计数器的值为
ncount，由于计数器是在第n个接收波头后被封锁，则有：
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