專利名稱：帶有計算機接口的物體的三維位移的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個控制系統(tǒng)，它是用來控制與三維運動相應(yīng)的信號的產(chǎn)生，例如，一個可以生成與某個物體在三維空間的運動相應(yīng)的聲音信號的系統(tǒng)。本發(fā)明尤其涉及可變操作儀器的控制，如舞臺燈光、幻燈投影儀、視頻投影儀，特別是對一個物體的運動進(jìn)行轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生音樂。本發(fā)明還涉及可變操作設(shè)備的控制，如帶有虛實系統(tǒng)的計算機接口。
在授與Will Bauer的美國專利No.5,107,746(1992年4月28日)和美國專利No.5,214,615(1993年5月25日)中描述并公開了這種控制系統(tǒng)。這些專利中所涉及的系統(tǒng)包括通過三維空間中的運動來控制一個音樂合成器的系統(tǒng)及控制其它可變操作設(shè)備的系統(tǒng)。
簡單來說，那些專利是關(guān)于生成一個與方位數(shù)據(jù)對應(yīng)的控制信號，該方位數(shù)據(jù)是從三角測量計算中獲得的，而這種計算則是基于超聲波脈沖從相互隔離開的固定發(fā)射器到一個運動對象所用的時間來進(jìn)行的。如果有更高的方位采樣速度和備用傳感器的附加輸入，那么，那些專利中的系統(tǒng)就能夠進(jìn)行更精細(xì)的控制。本發(fā)明者就考慮到了這個問題。
本發(fā)明涉及改進(jìn)的聲學(xué)方位采樣速率和傳感器的混合，這樣就可以對包括方位和其它信息的附加信息進(jìn)行處理，從而改進(jìn)對前述的媒介設(shè)備、虛實計算機設(shè)備和可變操作設(shè)備的控制結(jié)構(gòu)。
依據(jù)本發(fā)明，可以提供一個控制系統(tǒng)，根據(jù)至少一個三維區(qū)域運動對象的運動控制可變操作系統(tǒng)進(jìn)行實時操作，它包括至少三個，四個更好，超聲波發(fā)射器，它們分別安置在慣性參考點上，用來進(jìn)行所述至少一個對象的三維方位的三角測量定位；脈沖發(fā)生裝置，分別向每個超聲波發(fā)射器提供至少第一和第二預(yù)選頻率的脈沖來生成相應(yīng)的超聲波脈沖；每一對象的多個分隔開的接收站，每個接收站包括一個超聲波接收器和一個與其相聯(lián)系的脈沖檢測器，來檢測超聲波接收器所接收的脈沖，每個接收站與所述的對象相關(guān)聯(lián)，并與該對象一起在三維空間中進(jìn)行運動；一個編碼器，它與每個接收站相關(guān)聯(lián)，將脈沖的到達(dá)時間編碼為一個適合無線電波發(fā)射的格式；一個無線電波發(fā)射器，發(fā)射與脈沖到達(dá)時間相應(yīng)的信號；一個無線電波接收器，在所述的至少一個對象和無線電波發(fā)射器的遠(yuǎn)地端，接收從無線電波發(fā)射器傳來的編碼信號；一個解碼器，對從無線電波接收器來的信號進(jìn)行解碼；一個對象跟蹤微處理器控制器，接收所述的從每個超聲波接收器來的數(shù)據(jù)(每一個超聲波接收器與所述的至少一個對象相關(guān)聯(lián))，根據(jù)所述至少一個對象的徑向方位數(shù)據(jù)來計算它的三維方位、速度和加速度，并且一方面對超聲波發(fā)射器的脈沖發(fā)生器發(fā)出指令，另一方面與一個計算機相連接，產(chǎn)生對應(yīng)于已計算出的對象三維方位的指令，并用所述至少一個對象上的每一個接收站的徑向方位數(shù)據(jù)來控制所述可變操作系統(tǒng)的變化。
可變操作系統(tǒng)可以是一個虛實系統(tǒng)、音樂合成器或其它可變操作設(shè)備。
依據(jù)本發(fā)明，還可以提供一個控制系統(tǒng)，根據(jù)至少一個三維區(qū)域運動對象的運動控制可變操作系統(tǒng)進(jìn)行實時操作，它包括至少三個，四個更好，超聲波發(fā)射器，它們分別安置在慣性參考點上，用來進(jìn)行所述至少一個對象的三維方位的三角測量定位；一個脈沖發(fā)生器，向超聲波發(fā)射器提供脈沖來生成相應(yīng)的超聲波脈沖；每一對象的多個分隔開的接收站，每個接收站包括一個超聲波接收器和一個與其相聯(lián)系的脈沖檢測器，來檢測超聲波接收器所接收的脈沖。每個接收站與所述的對象聯(lián)系在一起，并與該對象一起在三維空間中進(jìn)行運動；
一個接收器跟蹤微處理器控制器，接收從每個接收站來的脈沖、將其數(shù)字化，測量脈沖的到達(dá)時間，控制脈沖發(fā)生器發(fā)出信號的產(chǎn)生和計時，根據(jù)自脈沖發(fā)生器發(fā)射信號起，到分別從各個接收站檢測出相應(yīng)的脈沖之間所用的時間，計算出對應(yīng)每一個脈沖，各個接收器的徑向方位數(shù)據(jù)；一個編碼器，與跟蹤微處理器控制器聯(lián)系一起，將脈沖到達(dá)時間編碼為適于無線電發(fā)射的格式；一個無線電波發(fā)射器，發(fā)射與脈沖到達(dá)時間對應(yīng)的編碼信號；一個無線電波接收器，在所述的至少一個對象和無線電波發(fā)射器的遠(yuǎn)地端，接收從無線電波發(fā)射器傳來的編碼信號；一個解碼器，對從無線電波接收器來的信號進(jìn)行解碼；一個三維加速表，測量由每個接收到的脈沖定義的參考點沿每條空間軸線的加速度；計算裝置，用所述的加速度計算臨時方位數(shù)據(jù)；一個對象跟蹤微處理器控制器，接收從每個超聲波接收器來的數(shù)據(jù)(每一個超聲波接收器與所述的至少一個對象聯(lián)系一起)，并接收所述的臨時方位數(shù)據(jù)，根據(jù)所述至少一個對象的徑向方位數(shù)據(jù)及臨時方位數(shù)據(jù)來計算它的三維方位、速度和加速度，并且一方面對超聲波發(fā)射器的脈沖發(fā)生器發(fā)出指令，另一方面與一個計算機相連接，產(chǎn)生對應(yīng)于已計算出的對象三維方位的指令，并用所述至少一個對象上的每一個接收站的徑向方位數(shù)據(jù)來控制所述可變操作系統(tǒng)的變化。
現(xiàn)在，通過舉例并參照附圖的方式，對本發(fā)明的實施方案進(jìn)行描述，其中

圖1是依據(jù)本發(fā)明的一個系統(tǒng)的模塊示意圖；圖2是在實現(xiàn)圖1系統(tǒng)的固件中可能使用的一種產(chǎn)生脈沖和計時方法的模塊示意圖。
圖3是在固件中可能使用的一種脈沖檢測方法的模塊示意圖；圖4是本發(fā)明另一實施方案的模塊示意圖5是實現(xiàn)圖4系統(tǒng)的固件中可能使用的一種脈沖檢測算法的模塊示意圖。
圖1顯示了一個數(shù)字信號處理(DSP)控制器16，它向揚聲器12、13、14和15中的每一個發(fā)送信號，從而重復(fù)發(fā)出一系列聲音脈沖，對這些脈沖進(jìn)行多路復(fù)用，以提供一個比使用美國專利No.5,107,746和5,214,615的系統(tǒng)可能產(chǎn)生的采樣速率更高的采樣速率。
多路復(fù)用的聲音脈沖可以包含多個不同頻率的脈沖，如4個不同頻率F1、F2、F3和F4。每個脈沖寬度大約為0.25到4毫秒。每個聲音脈沖F1、F2、F3或F4應(yīng)當(dāng)具有足夠高的頻率，要高于可以聽到的聲音頻率。合適的頻率范圍在17KHz到60KHz之間，并且脈沖系列中的每個脈沖在該范圍內(nèi)相互之間被很好地隔離開來。脈沖可以由任何適當(dāng)?shù)脑O(shè)備產(chǎn)生，DSP控制器16和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器17，后者能夠重復(fù)產(chǎn)生一系列不同的脈沖。
在美國專利No.5,107,746和5,214,615所描述并公布的系統(tǒng)中，一個單一頻率脈沖的采樣速率為每秒3到300，并為每秒發(fā)送和接收的脈沖數(shù)量所限制。在實際情況中，那些以前的系統(tǒng)中，一個單一超聲頻率的脈沖大約每隔32毫秒(ms)發(fā)射一次。于是，方位的更新速度受到限制，每發(fā)射一個新的脈沖，才能確定一個新的方位，或者說每秒大約更新32次(每32毫秒更新一次)。當(dāng)發(fā)射并分別檢測4個分離頻率的脈沖時，采樣速率就要乘以4，即采樣速率為128Hz(4×32)。所以，每隔8毫秒就有一個脈沖，而如果在同一頻率的脈沖下，只能重復(fù)每32毫秒一個脈沖。通過使用頻率對來產(chǎn)生附加脈沖類型，甚至有可能獲得更高的脈沖速率。一個包含頻率F1并伴隨著晚0.1毫秒的頻率F2的脈沖與包含頻率F2并伴隨著晚0.1毫秒的頻率F3的脈沖是不同的。采用頻率復(fù)用和對幾個在時間上交錯的頻率進(jìn)行分組來組成每個脈沖這兩項技術(shù)可以使采樣速率變得更高，可能會高達(dá)512至1024Hz左右。
在圖1中，DSP控制器16既是系統(tǒng)的脈沖發(fā)生器，又是檢測器。由于近來在DSP集成電路芯片設(shè)計方面的進(jìn)步，現(xiàn)在它有可能在數(shù)字領(lǐng)域執(zhí)行比較復(fù)雜的實時信號處理任務(wù)，僅僅在幾年之前，還需要大量的模擬信號處理單元才能執(zhí)行這樣的任務(wù)。這一進(jìn)展使硬件設(shè)計變得相對簡單，并使其在信號處理能力方面更為靈活。可以通過固件重新設(shè)置數(shù)字硬件，來執(zhí)行各種不同的任務(wù)，并根據(jù)技術(shù)的發(fā)展程度很容易地對設(shè)計進(jìn)行修改和擴展。
這就是圖1所示系統(tǒng)的方案。包括脈沖發(fā)射和檢測系統(tǒng)在內(nèi)的所有硬件單元能夠在一塊電路板中得到實現(xiàn)，該電路板可以插到個人計算機30數(shù)據(jù)總線上的插槽中。于是就有可能將幾塊電路板插到個人計算機總線上并同時跟蹤幾個不同的指揮器(wand)。另外，如果提供適當(dāng)?shù)墓碳惴ê虳SP時鐘速度，單個的個人計算機卡10可以同時獨立跟蹤幾個指揮器25。圖1到4只是簡單地顯示了單個指揮器的情況。
DSP控制器16是一個微處理器，它能夠以很高的精確度和穩(wěn)定性產(chǎn)生期望頻率的數(shù)字脈沖波形。這些數(shù)字波形(DSP微處理器中數(shù)字量的序列)接著被一個數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器17轉(zhuǎn)換為物理模擬波形，該轉(zhuǎn)換器提取數(shù)字序列，并產(chǎn)生與數(shù)字值對應(yīng)的電壓。如果這一步足夠快的話，即以10倍于脈沖頻率的速度進(jìn)行合成，就可以產(chǎn)生一個非常接近于連續(xù)模擬波形的結(jié)果。這種脈沖頻率的數(shù)字產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換，對一個技術(shù)人員來說是很容易做到的。作為實例，可以使用Texas Instruments(德州儀器)生產(chǎn)的芯片TMS320C50作DSP控制器，使用Burr-Brown生產(chǎn)的PCM56P作D/A轉(zhuǎn)換器。
頻率復(fù)用的脈沖被脈沖放大設(shè)備18進(jìn)行放大并分別送往揚聲器12、13、14和15。在DSP控制器16數(shù)字化控制下由固態(tài)電源開關(guān)19選擇哪個揚聲器接收某一特定脈沖。
圖2是脈沖產(chǎn)生和計時可能采用的一個固件算法的模塊示意圖。個人計算機通過圖1中所示的數(shù)據(jù)總線接口11，將個人計算機觸發(fā)線路40中的一條設(shè)置為高電平，從而觸發(fā)啟動一個脈沖的產(chǎn)生、發(fā)射和接收幀。隨著觸發(fā)，脈沖觸發(fā)解碼模塊41對觸發(fā)信號進(jìn)行翻譯，決定將要生成哪一個脈沖頻率及送往哪一個揚聲器。接著，數(shù)字振蕩器42以大約10倍于脈沖頻率的速度用波形表43、44、45和46生成正確的脈沖幅度值。通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出模塊47以數(shù)字形式將這些數(shù)值送出DSP控制器16，進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器17，在這里它們被轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號、放大并送入適當(dāng)?shù)膿P聲器。數(shù)字開關(guān)揚聲器選擇輸出線路54控制對揚聲器的信號傳送。它受DSP控制器固件的控制，為生成的脈沖選擇恰當(dāng)?shù)膿P聲器。一旦發(fā)出脈沖，就通過計時控制模塊48對軟件計時器49、50、51或52進(jìn)行初始化，并開始計算經(jīng)過的時間，直到脈沖被接收(這時在脈沖檢測信號53上產(chǎn)生一個觸發(fā)信號)或計時器達(dá)到最大值。如果在脈沖檢測信號53上檢測到一個脈沖，則由脈沖檢測窗口控制模塊55決定該脈沖檢測是否合法或是否是一個回聲或者其它意外的人為信號?？梢酝ㄟ^只允許脈沖在某些時間“窗口”中到達(dá)來實現(xiàn)，這些時間窗口由個人計算機30確定并通過數(shù)據(jù)總線接口11(見圖1)送往DSP控制器固件。如果脈沖檢測落在適當(dāng)?shù)臅r間窗口中，則認(rèn)為有效，并允許前面談到的計時器停止工作。通過個人計算機卡10所提供的數(shù)據(jù)總線接口11，將脈沖到達(dá)時間傳送到個人計算機中。
再回到圖1，三維區(qū)域中的一個人類執(zhí)行者可以帶有一個麥克風(fēng)組20，附著在人體上活動范圍最大的部位。比如，麥克風(fēng)組20可以安放在用戶的一只手上或其附近。每個麥克風(fēng)組20可以封裝起來，分散放置于人體上。
在其中還可以發(fā)現(xiàn)其他傳感器23，它們與從麥克風(fēng)組得到的聲學(xué)方位測量結(jié)果共同作用，增強對媒介、計算機和可變操作系統(tǒng)進(jìn)行控制的水平和質(zhì)量。舉例來說，這些傳感器可以是探測坡度(pitch)、偏航角(yaw)和指揮器(wand)旋轉(zhuǎn)方位的角度傳感器，具有與計算機鼠標(biāo)按鈕類似功能的指揮器按鈕——它允許對某些姿勢的開始和結(jié)束進(jìn)行精確計時和分界，或一個更高速度的方位采樣傳感器，如完成聲學(xué)方位測量的三維加速表。其他傳感器也可能受無線電波發(fā)射器帶寬和計算機處理速度的限制。圖1中示范的傳感器23是一個指揮器狀態(tài)按鈕。但是，必須注意，任何或所有前述的附加傳感器都能以任何組合方式用在指揮器中，產(chǎn)生一個混合傳感器環(huán)境，它會大大增強僅基于聲學(xué)方位測量的指揮器的能力。
在指揮器封裝模塊中還可以發(fā)現(xiàn)一個頻率編碼器21、一個頻移鍵控(F.S.K.)振蕩器22(根據(jù)指揮器狀態(tài)按鈕23的狀態(tài)，以兩個頻率中的一個進(jìn)行振蕩)，和一個混頻器24。這些集成在一起構(gòu)成了指揮器25。無線電發(fā)射器26可以包括在所示的指揮器中或獨立封裝并用電線與指揮器連接。此外，麥克風(fēng)組20可以按照指揮器封裝模塊中所示的安裝或與指揮器25分離并用電纜連接。
從揚聲器12、13、14和15中的任何一個傳來的超聲脈沖將到達(dá)指揮器的麥克風(fēng)組。參照其發(fā)射頻率，對每個脈沖進(jìn)行識別。
麥克風(fēng)組20與頻率編碼器21相連，后者將頻率F1的脈沖轉(zhuǎn)換為適于無線頻率調(diào)制的形式。根據(jù)頻率F1的值，這種轉(zhuǎn)換可能簡單到只需將脈沖幅度調(diào)整到適于傳輸?shù)某潭??；蛘?，轉(zhuǎn)換可能包括將脈沖從其輸入頻率F1移位到另一個更適合無線通信線路帶寬的頻率上。一旦在無線通信線路上，引入脈沖的直接傳輸概念，這種變換就相當(dāng)簡單了。用戶可以使用指揮器狀態(tài)按鈕23來標(biāo)記一個動作的開始和結(jié)束。在一個三維跟蹤系統(tǒng)環(huán)境中，這個按鈕與二維計算機鼠標(biāo)上的按鈕的作用相似。F.S.K.(頻移鍵控)振蕩器連續(xù)發(fā)射兩個頻率中的一個。這些頻率(在500到4000Hz之間)通常比用于任何超聲脈沖的頻率低得多，以便使兩個頻率之間沒有干擾。通過檢測發(fā)射了哪個F.S.K.(頻移鍵控)頻率，DSP控制器16能夠確定指揮器狀態(tài)按鈕23是開還是關(guān)。由一個混頻器24將從F.S.K.(頻移鍵控)振蕩器和頻率編碼器來兩個信號混合在一起，然后通過無線電波發(fā)射器26將其從指揮器25發(fā)送到DSP控制器16。
發(fā)送的脈沖到達(dá)無線電波接收器34，通過前置放大器33放大并通過模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器32轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。這個數(shù)字信號接著被DSP控制器11進(jìn)行處理，檢測超聲脈沖是否到達(dá)指揮器并計算從揚聲器發(fā)射起，到接收到超聲脈沖的時間。
圖3是DSP控制器脈沖檢測固件的一種可能的實現(xiàn)方案的模塊示意圖。參照圖1的描述，從指揮器25傳來的經(jīng)過無線電波接收器34、前置放大器33和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器32的數(shù)字化指揮器信號通過A/D輸入接口模塊60，并被送到一組并聯(lián)的數(shù)字帶通濾波器(BPF)模塊61、62、63和64中。它們每一個都有各自特定的中心頻率F1、F2、F3或F4，用它們來去掉任何不在濾波器中心頻率上的脈沖或噪音。這些濾波器范圍相當(dāng)窄，帶寬只有幾千赫茲，濾波器可通頻帶和抑制頻帶之間的過渡很陡。每個濾波輸出被分別送到脈沖檢測器模塊67、68、69和70，當(dāng)脈沖到達(dá)時，它檢測脈沖的存在并產(chǎn)生一個二元表示。脈沖檢測器的二元輸出被送到脈沖檢測邏輯模塊73，它用來檢測脈沖的合成(如果使用了該種方法)。比如在一個特定“脈沖”包含頻率F1的脈沖并伴隨著晚0.1毫秒的頻率F2的脈沖的情況下，脈沖檢測邏輯模塊73將對F1和F2脈沖進(jìn)行必要的計時來保證它們之間的延遲時間實際上是正確的。只有此時，才能產(chǎn)生一個脈沖檢測信號75，表示收到一個有效脈沖。
執(zhí)行指揮器按鈕狀態(tài)檢測的方式與脈沖檢測相似輸入的指揮器信號經(jīng)過兩個并聯(lián)帶通濾波器(BPF)模塊65、66進(jìn)行濾波，這兩個濾波器的中心頻率分別對應(yīng)F.S.K.振蕩器的兩個頻率。每個濾波器的輸出分別進(jìn)入存在檢測器模塊71、72，后者對兩個頻率之一的存在產(chǎn)生一個二元表示。指揮器按鈕狀態(tài)檢測器74得到二元存在檢測輸出并根據(jù)檢測到的指揮器按鈕狀態(tài)產(chǎn)生一個三元指揮器按鈕狀態(tài)信號76。如果檢測到“按鈕抬起”頻率，改變輸出來表示按鈕實際上抬起了。如果檢測到另一個頻率(“按鈕壓下”)，改變輸出來表示按鈕被壓下了。如果兩個頻率都檢測到了(不應(yīng)發(fā)生的情況)，輸出保持其原來的狀態(tài)不變。如果兩個信號都沒有檢測到，設(shè)置輸出來表示現(xiàn)在不能檢測到指揮器，它或者被關(guān)閉了，或者在無線頻率零點的中間，這時無線發(fā)射器暫時不能與接收器連通。這個按鈕狀態(tài)信息與每人脈沖到達(dá)時獲得的計時信息相加，經(jīng)過數(shù)據(jù)總線接口11被發(fā)往個人計算機30，以供個人計算機軟件使用。
再回到圖1，DSP控制器16測量頻率F1的脈沖從發(fā)射到接收之間經(jīng)過的時間量。這個時間直接根據(jù)每個指揮器到揚聲器的距離而變化，于是就測出了這二者之間的距離。對四個揚聲器12、13、14和15中的每一個進(jìn)行這一步，對每個指揮器25產(chǎn)生四個計時測量結(jié)果。個人計算機30用這個信息并運用一個適當(dāng)?shù)臅r間測量的線性變換來計算與各個揚聲器相關(guān)的每個指揮器的徑向方位。脈沖傳送的時間和距離之間的關(guān)系由一個線性方程給出t＝m*d＋b其中t為傳送時間，m為校準(zhǔn)因子，d為傳送的距離，b為由于傳輸和脈沖檢測的延遲而產(chǎn)生的偏移量。通過在兩個或更多的已知距離中從一個揚聲器得到的時間測量結(jié)果，可以計算出m和b的值，解決了未知的m和b。建立了關(guān)系式后，其成立條件設(shè)為恒溫、恒濕和恒定的空氣壓力，從而保證只需要一個校準(zhǔn)因子。一旦接受了使用高頻聲波作為一個運動對象的定位工具這個概念，運行控制器16的程序是非常簡單的。
DSP控制器16用頻率F1的脈沖傳輸計算出來的方位表示信號到達(dá)計算機設(shè)備30，后者應(yīng)為一個屬于個人計算機類型的微型計算機。同樣，從頻率F2、F3和F4的脈沖傳輸中計算出方位表示信號。如果提供一個足夠快的計算機(如IBM AT仿制機48633MHz系統(tǒng))，就有可能對三維方位進(jìn)行實時計算，并注意到指揮器狀態(tài)按鈕23的任何狀態(tài)變化。這可能是因為在每個分別基于頻率F1、F2、F3和F4的脈沖的輸入測量結(jié)果之間有一個時間間隔。在這段時間內(nèi)，能夠?qū)η懊娴臏y量結(jié)果集合進(jìn)行處理并更新方位和指揮器按鈕狀態(tài)。
向計算機30提供軟件，使用戶可以對計算機存儲器31的子區(qū)域進(jìn)行映射，其中發(fā)生的活動的方式與前面提及的美國專利No.5,214,615相似。另外，還提供軟件，允許按時間組織一系列子區(qū)域映射。因此，人們能夠獲得一個對照時間的軌跡，其中不同的映射在不同的時間上起作用，它是以經(jīng)過的時間和指揮器上的指揮器狀態(tài)按鈕23的狀態(tài)為基礎(chǔ)的。
還向計算機30提供實時處理軟件。處理軟件可以對活動進(jìn)行解釋，如音樂解釋。這種解釋需要依靠在三維空間每一軸線上由DSP控制器16測量出的當(dāng)前距離、速度和加速度的測量結(jié)果集合，而這個測量結(jié)果集合則是從四個參照位置上的揚聲器12、13、14和15發(fā)出頻率F1、F2、F3和F4的聲音脈沖的結(jié)果。
因此整個系統(tǒng)成為一個三維跟蹤系統(tǒng)，它可以對電子媒介、計算機和其他可變操作系統(tǒng)進(jìn)行實時控制。
圖4所示的實施方案可以被替換或附加到圖1、2和3的系統(tǒng)中。在圖4的系統(tǒng)中，實際脈沖的采樣速率約為32Hz，并使用另一個傳感器來填充在連續(xù)的基于聲學(xué)方位測量結(jié)果之間的間隙?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)每個脈沖的采樣速率約為32Hz時，對附加傳感器可以使用多路復(fù)用脈沖。參照采用單一脈沖頻率的系統(tǒng)所作的敘述只一種簡化。
在一個系統(tǒng)中引入一個三維加速表100，該系統(tǒng)與圖1的系統(tǒng)相似，只是在這里由DSP控制器16和D/A轉(zhuǎn)換器17實現(xiàn)的脈沖發(fā)生器只產(chǎn)生一個頻率的脈沖。在圖4中和圖1中使用的參考數(shù)字代表相同的部分。三維加速表與其他傳感器和指揮器的相關(guān)設(shè)備一起包含在指揮器25的封裝中。加速表100必須與為實現(xiàn)前述方位測量方法而使用的麥克風(fēng)組20保持一個固定的空間關(guān)系，從而兩個方位測量結(jié)果可以合成在一起，成為一個總的方位測量結(jié)果。從三條軸線每一條的三維加速表輸出模擬電壓。這些電壓分別輸出到模擬調(diào)制/濾波器101、102和103，這些模擬調(diào)制/濾波器的第一帶寬對信號進(jìn)行限制，然后對其進(jìn)行頻率復(fù)用，以便使信號能夠在無線電波發(fā)射器26上發(fā)射，并與聲音信號或指揮器按鈕狀態(tài)頻率之間沒有干擾。典型地，用于加速表測量的最大頻率只有幾百赫茲，所以，有可能將三個加速表軸線信號復(fù)用為更低的1或2KHz，在它們之間留出充足的保護帶寬。這時，可以向指揮器按鈕狀態(tài)振蕩器分配在2到3Khz范圍內(nèi)的頻率，為超聲脈沖信號保留足夠的帶寬。
調(diào)制/濾波器101、102和103的輸出在送到無線電波發(fā)射器26并發(fā)往DSP控制器16進(jìn)行計算之前，先由混頻器24將其與其他指揮器信號混合起來。數(shù)據(jù)的接收與圖1所描述的相同從無線電波接收器34來的信號由前置放大器33放大，然后由A/D轉(zhuǎn)換器32進(jìn)行數(shù)字化并以數(shù)字形式進(jìn)DSP控制器16求值。
圖5表現(xiàn)了一種可能的DSP控制器固件實施方案，該DSP控制器處理聲音脈沖和指揮器按鈕狀態(tài)的方式與前面提到的圖1情況幾乎一樣，但此處還要處理加速表數(shù)據(jù)。加速表X、Y和Z數(shù)據(jù)經(jīng)解調(diào)器模塊110、111和112提取出來，解調(diào)器模塊110、111和112將每個經(jīng)過調(diào)制的信號分別移位回到X、Y和Z軸線數(shù)據(jù)各自的基帶上。接下來，三個300Hz的低通濾波器(LPF)113、114和115去掉由于頻率移位在完全解調(diào)的X、Y和X軸線加速信號中產(chǎn)生的鏡象頻率。積分電路模塊116、117和118對這些信號進(jìn)行積分，得出X、Y和Z速度值。這些數(shù)值由積分電路模塊119、120和121進(jìn)行積分，生成X、Y和Z軸線方位122、123和124的值。
再回到圖4，這三個數(shù)值隨后經(jīng)過數(shù)據(jù)總線接口11送往個人計算機30，與聲學(xué)測量結(jié)果合并在一起。這個任務(wù)由個人計算機軟件在進(jìn)行聲學(xué)數(shù)據(jù)三維計算的同時執(zhí)行。
三維加速表沿著定義三維空間的三條空間軸線的每一條測量加速度。這通過用三個沿互相垂直的軸線排列的傳感器將加速度轉(zhuǎn)換為一個電子電壓來實現(xiàn)。一些加速表可以測量從0到幾百或幾千赫茲頻率范圍的加速度。其他的則只能測量從一個較低的非零頻率界限開始的加速度。在這里需要使用前者。許多制造商供應(yīng)這種加速表。舉例來說，一種合適的型號是Entran Devices的帶有EntranEGA-MTG三維安裝模塊的EGA 125F-10D加速表。從沿三條空間軸線每一條的瞬時加速度的測量，對加速度值積分算出3D速度，再對速度積分算出3D方位變化，就可以計算出三維空間每一軸線上的方位變化。于是，在與一已知起始點有關(guān)的時間段中，從加速表的測量結(jié)果，可以計算出3D方位的變化?？梢詮淖罱穆晫W(xué)方位脈沖的到達(dá)計算出起始點的3D方位。當(dāng)然，加速表測量結(jié)果會存在某些錯誤，經(jīng)過一段時間，這些錯誤累積在一起，加速度預(yù)測的3D方位就會與實際情況相去甚遠(yuǎn)。但是，當(dāng)接收到每個新的聲音脈沖時，一個新的“起始點”就可以提供周期性的修正。所以，生成的每個聲學(xué)方位就是一個參考“起始點”。從這個新的3D方位點可以測量出基于加速表的路徑，直到產(chǎn)生一個新的有效的聲學(xué)方位，它就成為聲學(xué)方位測量結(jié)果之間的橋梁。
使用三維加速表計算的方位的一個優(yōu)點關(guān)系到，如果聲學(xué)系統(tǒng)受到阻礙，可能是被用戶的身體擋住，不能產(chǎn)生新的方位，此時錯過聲音脈沖接收的可能性。采用引入加速表的系統(tǒng)，可以在方位精確度僅有很少降低的情況下連續(xù)工作，直到能夠進(jìn)行新的聲學(xué)定位。
上述的三維加速表/聲學(xué)混合系統(tǒng)將會提高方位采樣速率，使其有可能高達(dá)幾千赫茲。在這種情況下，采樣速率將更多地受到計算機計算速度而不是聲學(xué)現(xiàn)象物理性質(zhì)的限制。
應(yīng)當(dāng)注意，為了簡化，所述的加速表處理的是單一脈沖。但是，三維加速表很有可能會用來處理多頻率脈沖，如F1、F2、F3和F4。
權(quán)利要求
1.一個控制系統(tǒng)，根據(jù)至少一個三維區(qū)域運動對象的運動控制可變操作系統(tǒng)進(jìn)行實時操作，它包括至少三個超聲波發(fā)射器，它們分別安置在慣性參考點上，用來進(jìn)行所述至少一個對象的三維方位的三角測量定位；脈沖發(fā)生裝置，分別向各個超聲波發(fā)射器提供至少第一和第二預(yù)選頻率的脈沖來生成相應(yīng)的超聲波脈沖；每個對象的多個分隔開的接收站，每個接收站包括一個超聲波接收器和一個與其相聯(lián)系的脈沖檢測器，來檢測超聲波接收器所接收的脈沖，每個接收站與所述的對象聯(lián)系在一起，并與該對象一起在三維空間中進(jìn)行運動；一個與每個接收站相關(guān)的編碼器，將脈沖的到達(dá)時間編碼為一個適合無線電波發(fā)射的形式；一個無線電波發(fā)射器，發(fā)射與脈沖到達(dá)時間相應(yīng)的編碼信號；一個接收器跟蹤微處理器控制器，接收從每個接收站來的脈沖、將其數(shù)字化，測量脈沖的到達(dá)時間，控制來自脈沖發(fā)生器信號的產(chǎn)生和計時，根據(jù)自脈沖發(fā)生器發(fā)射一個預(yù)選頻率之一的脈沖起，到分別從各個接收站檢測出相應(yīng)的脈沖之間所用的時間，計算出對應(yīng)每一個脈沖，各個接收器的徑向方位數(shù)據(jù)；一個無線電波接收器，在所述的至少一個對象和無線電波發(fā)射器的遠(yuǎn)地端，接收從無線電波發(fā)射器傳來的信號；一個解碼器，對從無線電波接收器來的信號進(jìn)行解碼；一個對象跟蹤微處理器控制器，接收每個與所述至少一個對象聯(lián)系在一起的超聲波接收器的數(shù)據(jù)，根據(jù)所述至少一個對象的徑向方位數(shù)據(jù)來計算它的三維方位、速度和加速度，并且一方面對超聲波發(fā)射器的脈沖發(fā)生器發(fā)出指令，另一方面與一個計算機相連接，產(chǎn)生對應(yīng)于已計算出的對象三維方位的指令，并用所述至少一個對象上的每一個超聲接收站的徑向方位數(shù)據(jù)來控制所述可變操作系統(tǒng)的變化。
2.權(quán)利要求1中的一個系統(tǒng)，其中使用了4個超聲波發(fā)射器。
3.權(quán)利要求1中的一個系統(tǒng)，其中可變操作系統(tǒng)是一個虛實系統(tǒng)。
4.權(quán)利要求1中的一個系統(tǒng)，其中可變操作系統(tǒng)是可變操作設(shè)備。
5.權(quán)利要求1中的一個系統(tǒng)，其中可變操作系統(tǒng)是一個音樂合成器。
6.權(quán)利要求1中的一個系統(tǒng)，其中超聲波的頻率范圍從20KHz到30KHz。
7.權(quán)利要求1中的一個系統(tǒng)，其中至少一個對象是可以附著在人的身體部位上的。
8.權(quán)利要求7中的一個系統(tǒng)，其中出現(xiàn)了不只一個超聲波接收器，在每個對象中包含有一組所述的接收器。
9.一個在三維區(qū)域跟蹤一個對象的系統(tǒng)包括至少三個超聲波發(fā)射器，它們分別安置在各自的慣性參考點上，用來進(jìn)行所述對象的三維方位的三角測量定位；脈沖發(fā)生裝置，分別向各個超聲波發(fā)射器提供至少第一和第二預(yù)選頻率的脈沖來生成相應(yīng)的超聲波脈沖；至少一個超聲波接收器與所述對象結(jié)合在一起，在三維區(qū)域中運動；一個脈沖檢測器與每個超聲波接收器結(jié)合起來，檢測通過的脈沖；一個脈沖編碼器，把從接收器跟蹤微處理器來的脈沖到達(dá)時間編碼為適于無線傳輸?shù)男问?；一個無線電波發(fā)射器，與編碼器和一個在所述對象遠(yuǎn)地端的無線電波接收器相聯(lián)系，無線電波發(fā)射器用來向無線電波接收器發(fā)送與檢測到的脈沖對應(yīng)的數(shù)據(jù)；一個無線電波接收器，在至少一個對象和無線電波發(fā)射器的遠(yuǎn)地端，接收無線電波發(fā)射器發(fā)出的編碼信號；一個脈沖解碼器，與無線電波接收器相關(guān)，將傳輸來的脈沖解碼為適合微處理器檢測的形式；一個微處理器控制器，用來檢測經(jīng)過解碼器的傳輸來的脈沖并向超聲波發(fā)射器發(fā)送信號以引發(fā)超聲波的發(fā)射；測量各個超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波脈沖從發(fā)射到被檢測出來之間所經(jīng)過的時間；由每個發(fā)射器脈沖所經(jīng)過的時間計算對象的徑向方位數(shù)據(jù)；生成方位指示信號；計算機設(shè)備，與微處理器控制器接口，接收所述方位指示信號，計算對象的三維方位、速度和加速度。
10.一個控制系統(tǒng)，根據(jù)至少一個三維區(qū)域運動對象的運動控制可變操作系統(tǒng)進(jìn)行實時操作，它包括至少三個超聲波發(fā)射器，它們分別安置在慣性參考點上，用來進(jìn)行所述至少一個對象的三維方位的三角測量定位；一個脈沖發(fā)生器，向超聲波發(fā)射器提供脈沖，以生成相應(yīng)的超聲波脈沖；每個對象的多個分隔開的接收站，每個接收站包括一個超聲波接收器和一個與其相聯(lián)系的脈沖檢測器，來檢測超聲波接收器所接收的脈沖，每個接收站與所述的對象相關(guān)聯(lián)，并與該對象一起在三維空間中進(jìn)行運動；一個與跟蹤微處理器控制器相關(guān)聯(lián)的編碼器，將脈沖的到達(dá)時間編碼為一個適合無線電波發(fā)射的形式；一個無線電波發(fā)射器，發(fā)射與脈沖到達(dá)時間相應(yīng)的編碼信號；一個無線電波接收器，在所述的至少一個對象和無線電波發(fā)射器的遠(yuǎn)地端，接收從無線電波發(fā)射器傳來的編碼信號；一個解碼器，對從無線電波接收器來的信號進(jìn)行解碼；一個三維加速表，測量由每個接收到的脈沖定義的參考點沿每條空間軸線的加速度；計算裝置，用所述的加速度計算臨時方位數(shù)據(jù)；一個對象跟蹤微處理器控制器，接收每個與所述的至少一個對象相關(guān)聯(lián)的超聲波接收器的數(shù)據(jù)，并接收所述的臨時方位數(shù)據(jù)，根據(jù)所述至少一個對象的徑向方位數(shù)據(jù)及臨時方位數(shù)據(jù)來計算它的三維方位、速度和加速度，并且一方面對超聲波發(fā)射器的脈沖發(fā)生器發(fā)出指令，另一方面與一個計算機相連接，產(chǎn)生對應(yīng)于已計算出的對象三維方位的指令，并用所述至少一個對象上的每一個超聲波接收站的徑向方位數(shù)據(jù)來控制所述可變操作系統(tǒng)的變化。
11.權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中使用了四個超聲波發(fā)射器。
12.權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中可變操作系統(tǒng)是一個虛實系統(tǒng)。
13.權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中可變操作系統(tǒng)是可變操作設(shè)備。
14.權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中可變操作系統(tǒng)是一個音樂合成器。
15.權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中超聲波頻率的范圍是20KHz到30KHz。
16.權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中至少一個對象可以附著在人體的一個部位上。
17.權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中出現(xiàn)了不止一個超聲波接收器，在每個對象中含有一組所述的接收器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一個在三維區(qū)域中跟蹤一個對象的三維方位的系統(tǒng)，它是通過利用三角測量技術(shù)生成與這種三維方位相應(yīng)的信號而實現(xiàn)的。這種信號可以用來操縱一個可變操作系統(tǒng)，從而產(chǎn)生一個虛實系統(tǒng)。三角測量設(shè)備包括至少三個超聲波發(fā)射器，它們與安放于三維區(qū)域中的運動體上的超聲波接收器協(xié)同工作。信號從多路復(fù)用的頻率中產(chǎn)生與/或中間信號可以用一個三維加速表來進(jìn)行投影。
文檔編號G01S5/30GK1147302SQ95192557
公開日1997年4月9日 申請日期1995年4月3日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月14日
發(fā)明者威爾·保爾 申請人:威爾·保爾