双目标三维超声定位笔式人机交互装置

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1、双目标三维超声定位笔式人机交互装置APen-basedHuman-computerInteractionDeviceBasedonDoubleTargetsThree-dimensionalUltrasoundPositioning作者姓名：封家鹏专业名称：通信与信息系统指导教师：孙晓颖教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年6月6日双目标三维超声定位笔式人机交互装置摘要笔式人机交互具有优良的沉浸感和易用性，广泛应用于教育、军事、医疗等领域，是近年来人机交互研究的热点。超声定位技术是实现笔式人机交互的重要手段

2、之一，具有精度高、成本低和结构简单等特点，交互电子白板是其典型应用。但是现有产品主要是基于单目标的二维参数定位技术，随着数字多媒体技术的不断发展，对多目标三维参数定位笔式人机交互产品的需求是必然趋势。研究新型多目标三维超声定位关键技术及装置不但是现有超声定位笔式人机交互技术延续与发展，更有着明确的经济价值。本文重点分析了TOA、TDOA定位方法，深入研究了超声信号时延提取方法和双目标红外信号、超声信号区分方法，以及基于加速度计、陀螺仪的空中鼠标控制方法，设计双目标三维超声定位笔式人机交互装置总体方案，将三维超声

3、定位技术应用于笔式人机交互，利用频分复用技术和TOA定位方法实现双目标超声定位，结合基于加速度计和陀螺仪联合的空中鼠标进一步扩展三维交互范围，并完成装置内目标笔、接收处理板和上位机软件的开发、集成及测试工作。本文的主要贡献及创新性工作如下：（1）提出一种双目标三维超声定位方法。此方法结合归一化阈值检测法和过零检测法提高超声信号时延提取精度；通过发射不同个数、不同频率红外脉冲信号，配合红外接收传感器实现38kHz、56kHz红外信号频分复用；利用数字滤波器实现25kHz、40kHz超声信号频分复用，通过二阶滤波器

4、级联、化简结构、缩小滤波区间三个步骤降低数字滤波时间和误差；最后基于TOA定位方法计算目标三维位置，具有定位误差小、定位速度快、可实现双目标定位的优点。（2）提出一种基于加速度计和陀螺仪联合的动态参考值空中鼠标控制方法。此方法利用加速度计计算参考角度值，利用陀螺仪计算偏移角度值，在使用过程中动态更新陀螺仪输出参考值和角度参考值，提高空中鼠标稳定性的同时扩展了使用角度。I（3）开发一套双目标三维超声定位笔式人机交互装置样机。分别以PIC12F508和STC89C52为核心设计两种目标笔，实现定位信号发射和空中鼠标

5、功能，前者电路简单、体积小，易于集成，后者功能丰富，便于扩展；设计以TMS320VC5502为核心的接收处理板，实现3通道信号接收、高速率采样、数字滤波、TOA位置计算和通信功能；基于C++和OpenGL开发上位机软件，实现双目标运动轨迹显示和鼠标控制功能。经测试，装置样机工作稳定，性能良好，基本满足应用需求，双目标超声定位范围半径可达1.5m，定位误差小于5mm，刷新频率14Hz，定位轨迹与运动轨迹吻合，空中鼠标刷新频率31Hz，鼠标移动轨迹平滑。与二维超声定位交互电子白板相比，本文设计的装置可实现双目标运动

6、轨迹跟踪，将笔式人机交互由二维平面扩展至三维空间，并结合空中鼠标进一步扩展交互范围，为超声定位、空中鼠标和笔式人机交互的理论研究及相关产品研发提供了参考。关键词：双目标超声定位，笔式人机交互，空中鼠标，无线定位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