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1、雙目標(biāo)三維超聲定位筆式人機(jī)交互裝置APen-basedHuman-computerInteractionDeviceBasedonDoubleTargetsThree-dimensionalUltrasoundPositioning作者姓名：封家鵬專業(yè)名稱：通信與信息系統(tǒng)指導(dǎo)教師：孫曉穎教授學(xué)位類別：工學(xué)碩士答辯日期：2015年6月6日雙目標(biāo)三維超聲定位筆式人機(jī)交互裝置摘要筆式人機(jī)交互具有優(yōu)良的沉浸感和易用性，廣泛應(yīng)用于教育、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域，是近年來人機(jī)交互研究的熱點(diǎn)。超聲定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)筆式人機(jī)交互的重要手段
2、之一，具有精度高、成本低和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，交互電子白板是其典型應(yīng)用。但是現(xiàn)有產(chǎn)品主要是基于單目標(biāo)的二維參數(shù)定位技術(shù)，隨著數(shù)字多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)多目標(biāo)三維參數(shù)定位筆式人機(jī)交互產(chǎn)品的需求是必然趨勢(shì)。研究新型多目標(biāo)三維超聲定位關(guān)鍵技術(shù)及裝置不但是現(xiàn)有超聲定位筆式人機(jī)交互技術(shù)延續(xù)與發(fā)展，更有著明確的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文重點(diǎn)分析了TOA、TDOA定位方法，深入研究了超聲信號(hào)時(shí)延提取方法和雙目標(biāo)紅外信號(hào)、超聲信號(hào)區(qū)分方法，以及基于加速度計(jì)、陀螺儀的空中鼠標(biāo)控制方法，設(shè)計(jì)雙目標(biāo)三維超聲定位筆式人機(jī)交互裝置總體方案，將三維超聲
3、定位技術(shù)應(yīng)用于筆式人機(jī)交互，利用頻分復(fù)用技術(shù)和TOA定位方法實(shí)現(xiàn)雙目標(biāo)超聲定位，結(jié)合基于加速度計(jì)和陀螺儀聯(lián)合的空中鼠標(biāo)進(jìn)一步擴(kuò)展三維交互范圍，并完成裝置內(nèi)目標(biāo)筆、接收處理板和上位機(jī)軟件的開發(fā)、集成及測(cè)試工作。本文的主要貢獻(xiàn)及創(chuàng)新性工作如下：（1）提出一種雙目標(biāo)三維超聲定位方法。此方法結(jié)合歸一化閾值檢測(cè)法和過零檢測(cè)法提高超聲信號(hào)時(shí)延提取精度；通過發(fā)射不同個(gè)數(shù)、不同頻率紅外脈沖信號(hào)，配合紅外接收傳感器實(shí)現(xiàn)38kHz、56kHz紅外信號(hào)頻分復(fù)用；利用數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)25kHz、40kHz超聲信號(hào)頻分復(fù)用，通過二階濾波器
4、級(jí)聯(lián)、化簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)、縮小濾波區(qū)間三個(gè)步驟降低數(shù)字濾波時(shí)間和誤差；最后基于TOA定位方法計(jì)算目標(biāo)三維位置，具有定位誤差小、定位速度快、可實(shí)現(xiàn)雙目標(biāo)定位的優(yōu)點(diǎn)。（2）提出一種基于加速度計(jì)和陀螺儀聯(lián)合的動(dòng)態(tài)參考值空中鼠標(biāo)控制方法。此方法利用加速度計(jì)計(jì)算參考角度值，利用陀螺儀計(jì)算偏移角度值，在使用過程中動(dòng)態(tài)更新陀螺儀輸出參考值和角度參考值，提高空中鼠標(biāo)穩(wěn)定性的同時(shí)擴(kuò)展了使用角度。I（3）開發(fā)一套雙目標(biāo)三維超聲定位筆式人機(jī)交互裝置樣機(jī)。分別以PIC12F508和STC89C52為核心設(shè)計(jì)兩種目標(biāo)筆，實(shí)現(xiàn)定位信號(hào)發(fā)射和空中鼠標(biāo)
5、功能，前者電路簡(jiǎn)單、體積小，易于集成，后者功能豐富，便于擴(kuò)展；設(shè)計(jì)以TMS320VC5502為核心的接收處理板，實(shí)現(xiàn)3通道信號(hào)接收、高速率采樣、數(shù)字濾波、TOA位置計(jì)算和通信功能；基于C++和OpenGL開發(fā)上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)雙目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡顯示和鼠標(biāo)控制功能。經(jīng)測(cè)試，裝置樣機(jī)工作穩(wěn)定，性能良好，基本滿足應(yīng)用需求，雙目標(biāo)超聲定位范圍半徑可達(dá)1.5m，定位誤差小于5mm，刷新頻率14Hz，定位軌跡與運(yùn)動(dòng)軌跡吻合，空中鼠標(biāo)刷新頻率31Hz，鼠標(biāo)移動(dòng)軌跡平滑。與二維超聲定位交互電子白板相比，本文設(shè)計(jì)的裝置可實(shí)現(xiàn)雙目標(biāo)運(yùn)動(dòng)
6、軌跡跟蹤，將筆式人機(jī)交互由二維平面擴(kuò)展至三維空間，并結(jié)合空中鼠標(biāo)進(jìn)一步擴(kuò)展交互范圍，為超聲定位、空中鼠標(biāo)和筆式人機(jī)交互的理論研究及相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)提供了參考。關(guān)鍵詞：雙目標(biāo)超聲定位，筆式人機(jī)交互，空中鼠標(biāo)，無線定位IIAPen-basedHuman-computerInteractionDeviceBasedonDoubleTargetsThree-dimensionalUltrasoundPositioningABSTRACTThepen-basedhuman-computerinteractionhasbett
7、erimmersionandusability.Itiswidelyusedineducation,medical,militaryandotherfields,anditisahotspotofhuman-computerinteractioninrecentyears.Ultrasoundpositioningtechnologyisanimportantmeanstorealizethepen-basedhuman-computerinteraction,whichhastheadvantagesofhi
8、ghaccuracy,lowcost,simplestructure.Theinteractionelectronicwhiteboardisitstypicalapplication.However,theexistingproductsaremainlybasedontwo-dimensionalpositioningtechnology.Withthedevelopmentofd
