关于定位系统的研究.doc

目 录 第1章 绪 论 1 1.1研究背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.3 研究内容及安排 5 第2章 电磁定位系统的组成及原理 6 2.1 电磁定位系统的基本组成结构 6 2.2 交流式和直流式电磁定位系统 6 2.3 本章小结 8 第3章 电磁定位算法分析 9 3.1 电磁定位系统中方位和坐标的描述 9 3.2 六自由度电磁定位传统算法 10 3.3 六自由度电磁定位传统算法的改进 14 3.4 欧拉角算法 15 3.5 四元数法 19 3.6 本章小结 22 第4章 电磁定位系统方案设计 23 4.1 电磁定位系统设计要求 24 4.2 电磁信号发射部分 25 4.3 电磁信号接收传感器及信号放大部分 28 4.4 A/D转换电路 31 4.5 处理运算部分 34 4.6 软件方案设计 39 4.7 本章小结 42 结 论 44 致 谢 45 参 考 文 献 46 第1章 绪 论 1.1研究背景及意义 虚拟现实，简称VR技术，是利用模拟产生一个三空间的虚拟世界，提供使用者关于听觉、视觉、触觉等感官的模拟，让使用者身其境，可以没有限制及时观察三空间内的事物。使用者进行位置移动时，可以进行复杂的运算，将精确的世界影像传回产生临场感。通过对目标上特定光点的跟踪和监视来完成运动捕捉任务。对于空间中的一点，只要它能同时为两所见，则根据同一时刻两所拍摄的图像，可以确定这该点在空间中的位置。Ascension公司的电磁式定位系统。这两个公司的产品分别采用了交流式电磁定位系统和直流式电磁定位系统实现。 Polhemus公司成立于1969年，它的产品主要包括Fastrak系列、Patriot系列、Liberty系列和G4系列等，其中典型产品是Fastrak系列，它采用DSP作为处理器，可在120Hz的刷新频率下工作，延迟仅4ms，可以通过USB或RS-232接口将数据传送至主机。其有效工作范围是4—6英尺，超过10英尺后系统的性能会下降。在有效工作范围内的静态位置准确度为0.76mm，静态角度准确度为0.15°。另外，公司的必威体育精装版产品G4系列，是一种便携性的产品，采用无线通信，它可以通过扩展发射信号源的数量，实现在较大的范围内的跟踪定位。其公司主要产品应用于医疗导航、生物力学、运动分析、虚拟现实和目标跟踪等方面。图1-1为该公司的一款产品。 图1-1 Polhemus公司的3Space Fastrak实物 Ascension公司成立于1985年，它的产品主要包括Flock of Birds系列、dirveBAY系列、trakSTAR系列、medSAFE系列和BIRD系列等，其中典型产品是Flock of Birds系列，它可以实现全方位角度的跟踪。采用USB接口向主机传送数据，每个传感器最高能达到每秒240HZ的刷新频率。有效工作范围是78cm，在有效工作范围内的静态位置准确度为是2.5mm，静态角度准确度是0.5°。其公司主要产品应用于医疗导航、虚拟现实和目标跟踪等方面。尤其是在医疗导航领域中，其前端接收传感器可以做的非常小，仅有几毫米大小，在医疗手术中应用非常广泛。另外，由于该公司生产的直流式电磁跟踪产品不易受周围金属物体的影响，因而BIRD系列产品也广泛应用于军事领域中飞行员头盔定位。图1-2为该公司的一款产品。 图1-2 Ascension公司的Flock of Birds产品实物 由此可见，美国等国的一些大公司在电磁定位方面起步很早，技术较为成熟，定位精度较高，定位范围较大，发展也很全面，现已形成大量实用商业产品，应用领域非常广泛。 1.2.2 国内研究现状 近年来，我国在虚拟现实技术上发展速度很快，并且取得了一些成就，开发出了一些虚拟现实系统，其也具有一些实际应用价值。但是，在电磁式定位系统方面的研究才刚开始不长时间，与国外的发达国家相比，我国在定位技术方面的差距还十分巨大。目前，一些电磁式定位相关的研究已经逐步开始，一些高等院校机构等也开始在这一领域中研究。 目前，北京理工大学在电磁定位系统的研究、开发和应用方面在国内较为领先。其中刘越、王涌天、徐彤、阎达远等推导出了用于虚拟现实的六自由度的电磁定位系统的一种传统算法[2]及其改进算法[3]，并提出球坐标校正方法[4]，研制出一种虚拟现实系统的手位定位设备，通过采用光纤传感器来测量手指的弯曲角度，并利用交流式电磁定位系统来测量手掌的空间位置[5]。另外，还将虚拟现实系统中的六自由度的电磁定位系统应用在医学图像领域中，并对图像的配准和融合进行了三维重构[6]，提出一种利用直流信号作激励的直流式电磁定位系统，还推导了六自由度的电磁定位算法和滤波相关算法，并设计了系统的结构。 解放军理工大学近几年对于电磁定位系统也做了很多较为深入的研究。杨