CN111103980B - 一种基于fmcw的vr环境交互***及方法 - Google Patents

一种基于fmcw的vr环境交互***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FMCW的VR环境交互***及方法，该***包括手套、信号接收点、信号发生器，其中：所述信号发生器为多个，用于发送FMCW信号；所述手套用于供用户佩戴在手上；所述信号接收点为多个，布置于手套上，用于接收信号发生器发出的FMCW信号；当信号接收节点接收到FMCW信号时，通过FMCW技术测出一维距离，即信号接收节点到信号发生器之间的距离；在测量出一维距离后，计算出信号接收节点在信号发生器的坐标系中的位置；通过信号接收节点位置的变化，追踪佩戴手套的手的位置的变化；通过输出的信号接收节点组成的坐标点矩阵的变化，提供VR交互。本发明为VR***提供了更加贴合实际的人机交互方式。

Description

一种基于FMCW的VR环境交互***及方法
技术领域
本发明属于无线传感技术领域，特别涉及一种无线传感网络中的人机交互***。
背景技术
FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，即调频连续波)技术主要用于高精度雷达测距，主要通过信号发生器发送FMCW信号，再通过接收器接收，通过计算发送的信号与当前接收的信号的频率差获得声音的飞行时间(TOF，Time of fly)，通过时间乘上信号传播速度计算信号发生器与信号接收节点之间的距离。
通过此技术可以获得高精度的距离，因此我们认为其可以为VR设备提供一种更好的人机交互方式。
现阶段的VR***中的人机交互的主要方式分为两种：
(1)使用VR手柄，通过摇动摇杆或者点击按键进行交互。但是这种方式在拟真环境下没有真实感，不能给与用户贴合实际的交互感觉。
(2)于是便产生了捕捉用户手部动作的VR手套。但是大多是通过惯性传感器、加速度传感器等方式直接测量手在空间中的相对运动。这些传感器的问题在于：无法确定物体在空间中的确切位置，便宜的传感器无法测量精准的位置变化，而高精度传感器昂贵的价格。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FMCW的VR环境交互***及方法，利用FMCW技术测量多个信号发生器与信号接收节点之间的距离获得节点在空间中的坐标，追踪节点在空间的运动，以此来追踪手在空间的运动，从而为VR***提供人机交互。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于FMCW的VR环境交互***，包括手套、信号接收点、信号发生器，其中：
所述信号发生器为多个，用于发送FMCW信号；
所述手套用于供用户佩戴在手上；
所述信号接收点为多个，布置于手套上，用于接收信号发生器发出的FMCW信号；
当信号接收节点接收到FMCW信号时，通过FMCW技术测出一维距离，即信号接收节点到信号发生器之间的距离；在测量出一维距离后，计算出信号接收节点在信号发生器的坐标系中的位置；通过信号接收节点位置的变化，追踪佩戴手套的手的位置的变化；通过输出的信号接收节点组成的坐标点矩阵的变化，提供VR交互。
一种基于上述***的VR环境交互方法，包括以下步骤：
(1)基于FMCW的测距：通过FMCW技术测出一维距离，即信号接收节点到信号发生器之间的距离；
(2)基于距离的坐标定位：在测量出一维距离后，计算出信号接收节点在坐标系中的位置；
(3)基于坐标的手部追踪：通过信号接收节点的位置的变化，追踪佩戴手套的手的位置的变化；
(4)VR交互：通过输出的坐标点矩阵的变化，为VR环境交互提供交互。
所述步骤(1)中，当信号接收节点接收到FMCW信号时，计算当前时刻的信号接收节点的接收频率与信号发生器发送频率之间的频率差，通过频率变化曲线得到飞行时间，以飞行时间乘以信号传播速度得到飞行距离，即为信号接收节点到信号发生器之间的距离。
所述步骤(2)中，通过多个不同的信号发生器的不同频段的选择，一个信号接收节点能够接收多个来自不同信号发生器的不同频段的信号，从而计算出信号接收节点与空间中不同位置的信号发生器之间的距离，通过信号发生器的位置，确定信号接收节点在信号发生器的坐标系中的坐标。
所述步骤(3)中，手套上的布置有多个信号接收器节点，每个信号接收节点通过计算得到其在信号发生器的坐标系中的坐标，多个信号接收节点的坐标在坐标系中组成节点阵列，以这个阵列代表手的形状，对手进行追踪，不同的手势会表现为不同的阵列的形状变化。
所述步骤(4)中，获得信号接收节点组成的坐标矩阵，通过坐标矩阵的变化拟合出手势，为VR环境交互***提供贴合人手使用习惯的交互方式。
有益效果：本发明中，通过使用FMCW技术测量布置在手套中的信号接收节点的运动轨迹来测量手的运动，可以确定传感器在空间中的确切位置，可以与更多的辅助VR物体进行准确的交互，为VR***提供更加贴合实际的人机交互方式。通过提高采样率，本发明可以相应的提高距离识别的准确度。
附图说明
图1为单个信号接收节点运作流程图；
图2为FMCW原理示意图；
图3为坐标系示意图；
图4为手套上的信号接收节点简单示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的一种基于FMCW的VR环境交互***，包括手套、信号接收点、信号发生器，其中：
信号发生器为多个，用于发送FMCW信号；
手套用于供用户佩戴在手上；
信号接收点为多个，布置于手套上，用于接收信号发生器发出的FMCW信号；
本发明实现主要使用的信号为分频FMCW信号，由3段或3段以上的FMCW信号组成，每个FMCW信号的频段的扫频宽度均为B，扫频时间均为T，初始频率为f1，f2，f3。每段FMCW信号频段之间存在一定的频率间隔。例如，第一段频段为[f1，f1+B]，第二段频段为[f2，f2+B]，第三段频段为[f3，f3+B]，则假定频率间隔为f′，则f2＝f1+B+f′，f3＝f2+B+f′。这样的频段之间的间隔可以有利于我们之后的滤波器分离不同频段之间的信号。
当信号接收节点接收到FMCW信号时，通过FMCW技术测出一维距离，即信号接收节点到信号发生器之间的距离；在测量出一维距离后，计算出信号接收节点在信号发生器的坐标系中的位置；通过信号接收节点位置的变化，追踪佩戴手套的手的位置的变化；通过输出的信号接收节点组成的坐标点矩阵的变化，提供VR交互。
基于上述***的VR环境交互方法，包括以下步骤：
(1)基于FMCW的测距：通过FMCW技术测出一维距离，即信号接收节点到信号发生器之间的距离；如图1所示，通过信号发生器发送FMCW信号，然后通过信号接收节点接收FMCW信号；当信号接收节点接收到FMCW信号时，计算当前时刻的信号接收节点的接收频率与信号发生器发送频率之间的频率差，通过频率变化曲线得到飞行时间，以飞行时间乘以信号传播速度得到飞行距离，即为信号接收节点到信号发生器之间的距离；
FMCW信号变化曲线表示为：
Figure BDA0002322946250000041
其中，B为扫频带宽，T为调制频率扫频周期长度，t为时间，f0为扫频带宽的初始频率；
发送信号表示为：
F(t)＝cos(2π×t×f(t))
接收信号表示为：
Figure BDA0002322946250000042
其中，Δtk表示某一多径的信号延时，下标k为其中任一多径；
通过以下方法求得同一时刻下，接收信号与发送信号的频率差：
Figure BDA0002322946250000043
参考以下三角函数，对上式进行化简：
Figure BDA0002322946250000044
通过滤除高频部分，获得cos(α-β)，以此求得频率差：
Figure BDA0002322946250000045
其中，Δfk表示接收信号中的某一多径的信号与此刻发送信号的频率差；
其中存在大量的多径干扰，但是直达波具有更短的飞行路径和更大的信号能量，因此从信号上来看，能量最强且频率差最小的信号就是直达波信号；
通过直达波信号的频率差转换成时间差，再乘上信号传播速度，求得信号发生器到达信号接收节点之间的距离：
Figure BDA0002322946250000046
其中，Δf代表直达信号与发送信号的频率差，V表示信号传播速度。
通过同样的方法，使用不同的滤波频段的带通滤波器，求得该信号接收节点到其他信号发生器的距离。
(2)基于距离的坐标定位：在测量出一维距离后，计算出信号接收节点在坐标系中的位置。通过多个不同的信号发生器的不同频段的选择，一个信号接收节点能够接收多个来自不同信号发生器的不同频段的信号，从而计算出信号接收节点与空间中不同位置的信号发生器之间的距离，通过信号发生器的位置，确定信号接收节点在信号发生器的坐标系中的坐标；
首先，使用的多个(三个及三个以上)信号发生器相互之间的位置已知，且不在一条直线上，由此利用这些信号发生器的位置建立坐标系；如图3展示了一个简单坐标系的构建，三个信号发生器(S1,S2,S3)位于坐标系上的三个轴上，坐标分别为(x0,0,0),(0,z0,0),(0,0,y0),信号接收节点H位于坐标系中，已知节点H到信号发生器之间的距离分别为D1,D2,D3，通过以下方程组求解节点H所在的坐标：
Figure BDA0002322946250000051
求解如上方程组后，获得两个解，此时，如果使用的信号发生节点数量为3时，需要一个初始化的位置，在开机使用时，指定用户将手套放置在初始位置，之后求得两个坐标解后，通过比较当前时刻与上一时刻的结果，选择移动距离更小的坐标点作为结果点；
而当***使用的是四个信号发生器时，且四个信号发生器中不存在三个信号发生器在同一条直线上，通过联立四个方程组，只会得到1解，即信号接收节点在坐标系上的准确坐标；
通过同样的方法，求解其他所有信号接收节点在空间中的坐标。
(3)基于坐标的手部追踪：通过信号接收节点的位置的变化，追踪佩戴手套的手的位置的变化；手套上的布置有多个信号接收器节点，每个信号接收节点通过计算得到其在信号发生器的坐标系中的坐标，多个信号接收节点的坐标在坐标系中组成节点阵列，以这个阵列代表手的形状，对手进行追踪，不同的手势会表现为不同的阵列的形状变化。
为了同时求解所有信号接收节点所在的坐标位置，每个信号接收节点对应于一个相应的计算线程，同时计算其在坐标系中的坐标位置。对于每次计算，每个节点对应的计算线程均会同时输出一个当前时刻节点所在的坐标位置。在求解了坐标后，我们获得了所有信号接收节点在信号发生器的坐标系中的坐标点。这些坐标点组成一个阵列，而这些阵列在坐标系中的位置变化就代表着手套在坐标系中的位置变化，这也就代表着佩戴着手套的手在坐标系中进行了动作。如图4所示，手套上的节点的简单分布示意图，当节点分布更加的密集时，捕捉手的动作将会更加详细。图4展示了手套追踪手指运动所用的节点简单布置情况，如果需要追踪更细更精准的运动，可以在手指上布置更多的信号接收节点，同时手掌与手背上也能够布置相应的节点。
(4)VR交互：通过输出的坐标点矩阵的变化，为VR环境交互提供交互；获得信号接收节点组成的坐标矩阵，通过坐标矩阵的变化拟合出手势，为VR环境交互***提供贴合人手使用习惯的交互方式。
实施例
本发明利用现有的商业麦克风(咪头麦克风)作为信号接收节点，商业扬声器作为信号发生器进行了初步的实现和验证。麦克风和扬声器的频率响应曲线均覆盖了超声波部分，采用48kHz的采样率进行采样。使用麦克风录取信号后，通过带通滤波处理，得到三个信道的信号，通过乘上原始信号，分析出麦克风节点与对应扬声器之间的距离，最后通过结合三个距离计算出坐标。通过坐标矩阵我们对佩戴手套的手进行了追踪。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于FMCW的VR环境交互***，其特征在于：包括手套、信号接收点、信号发生器，其中：
所述信号发生器为多个，用于发送FMCW信号；
所述手套用于供用户佩戴在手上；
所述信号接收点为多个，布置于手套上，用于接收信号发生器发出的FMCW信号；
当信号接收节点接收到FMCW信号时，通过FMCW技术测出一维距离，即信号接收节点到信号发生器之间的距离；所述信号接收节点到信号发生器之间的距离计算方法如下：
FMCW信号变化曲线表示为：
Figure FDA0002935493370000011
其中，B为扫频带宽，T为调制频率扫频周期长度，t为时间，f0为扫频带宽的初始频率；
发送信号表示为：
F(t)＝cos(2π×t×f(t))
接收信号表示为：
Figure FDA0002935493370000012
其中，Δtk表示某一多径的信号延时，下标k为其中任一多径；
通过以下方法求得同一时刻下，接收信号与发送信号的频率差：
Figure FDA0002935493370000013
参考以下三角函数，对上式进行化简：
Figure FDA0002935493370000014
通过滤除高频部分，获得cos(α-β)，以此求得频率差：
Figure FDA0002935493370000015
其中，Δfk表示接收信号中的某一多径的信号与此刻发送信号的频率差；
其中存在大量的多径干扰，但是直达波具有更短的飞行路径和更大的信号能量，因此从信号上来看，能量最强且频率差最小的信号就是直达波信号；
通过直达波信号的频率差转换成时间差，再乘上信号传播速度，求得信号发生器到达信号接收节点之间的距离：
Figure FDA0002935493370000021
其中，Δf代表直达信号与发送信号的频率差，V表示信号传播速度；
通过同样的方法，使用不同的滤波频段的带通滤波器，求得该信号接收节点到其他信号发生器的距离；
在测量出一维距离后，计算出信号接收节点在信号发生器的坐标系中的位置；通过信号接收节点位置的变化，追踪佩戴手套的手的位置的变化；通过输出的信号接收节点组成的坐标点矩阵的变化，提供VR交互。
2.一种基于权利要求1所述***的VR环境交互方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)基于FMCW的测距：通过FMCW技术测出一维距离，即信号接收节点到信号发生器之间的距离；所述信号接收节点到信号发生器之间的距离计算方法如下：
FMCW信号变化曲线表示为：
Figure FDA0002935493370000022
其中，B为扫频带宽，T为调制频率扫频周期长度，t为时间，f0为扫频带宽的初始频率；
发送信号表示为：
F(t)＝cos(2π×t×f(t))
接收信号表示为：
Figure FDA0002935493370000023
其中，Δtk表示某一多径的信号延时，下标k为其中任一多径；
通过以下方法求得同一时刻下，接收信号与发送信号的频率差：
Figure FDA0002935493370000024
参考以下三角函数，对上式进行化简：
Figure FDA0002935493370000025
通过滤除高频部分，获得cos(α-β)，以此求得频率差：
Figure FDA0002935493370000031
其中，Δfk表示接收信号中的某一多径的信号与此刻发送信号的频率差；
其中存在大量的多径干扰，但是直达波具有更短的飞行路径和更大的信号能量，因此从信号上来看，能量最强且频率差最小的信号就是直达波信号；
通过直达波信号的频率差转换成时间差，再乘上信号传播速度，求得信号发生器到达信号接收节点之间的距离：
Figure FDA0002935493370000032
其中，Δf代表直达信号与发送信号的频率差，V表示信号传播速度；
通过同样的方法，使用不同的滤波频段的带通滤波器，求得该信号接收节点到其他信号发生器的距离；
在测量出一维距离后，计算出信号接收节点在信号发生器的坐标系中的位置；通过信号接收节点位置的变化，追踪佩戴手套的手的位置的变化；通过输出的信号接收节点组成的坐标点矩阵的变化，提供VR交互；
(2)基于距离的坐标定位：在测量出一维距离后，计算出信号接收节点在坐标系中的位置；
(3)基于坐标的手部追踪：通过信号接收节点的位置的变化，追踪佩戴手套的手的位置的变化；
(4)VR交互：通过输出的坐标点矩阵的变化，为VR环境交互提供交互。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，当信号接收节点接收到FMCW信号时，计算当前时刻的信号接收节点的接收频率与信号发生器发送频率之间的频率差，通过频率变化曲线得到飞行时间，以飞行时间乘以信号传播速度得到飞行距离，即为信号接收节点到信号发生器之间的距离。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过多个不同的信号发生器的不同频段的选择，一个信号接收节点能够接收多个来自不同信号发生器的不同频段的信号，从而计算出信号接收节点与空间中不同位置的信号发生器之间的距离，通过信号发生器的位置，确定信号接收节点在信号发生器的坐标系中的坐标。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述信号接收节点在信号发生器的坐标系中的坐标的确定方法如下：
首先，使用的三个及三个以上信号发生器相互之间的位置已知，且不在一条直线上，由此利用这些信号发生器的位置建立坐标系；三个信号发生器(S1，S2，S3)位于坐标系上的三个轴上，坐标分别为(x0，0，0)，(0，z0，0)，(0，0，y0)，信号接收节点H位于坐标系中，已知节点H到信号发生器之间的距离分别为D1，D2，D3，通过以下方程组求解节点H所在的坐标：
Figure FDA0002935493370000041
求解如上方程组后，获得两个解，此时，如果使用的信号发生节点数量为3时，需要一个初始化的位置，在开机使用时，指定用户将手套放置在初始位置，之后求得两个坐标解后，通过比较当前时刻与上一时刻的结果，选择移动距离更小的坐标点作为结果点；
而当***使用的是四个信号发生器时，且四个信号发生器中不存在三个信号发生器在同一条直线上，通过联立四个方程组，只会得到1解，即信号接收节点在坐标系上的准确坐标；
通过同样的方法，求解其他所有信号接收节点在空间中的坐标。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，手套上的布置有多个信号接收器节点，每个信号接收节点通过计算得到其在信号发生器的坐标系中的坐标，多个信号接收节点的坐标在坐标系中组成节点阵列，以这个阵列代表手的形状，对手进行追踪，不同的手势会表现为不同的阵列的形状变化。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，获得信号接收节点组成的坐标矩阵，通过坐标矩阵的变化拟合出手势，为VR环境交互***提供贴合人手使用习惯的交互方式。
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