微型虛擬現實頭部跟蹤系統的設計

摘要：頭部跟蹤系統是虛擬現實系統中的關鍵部分之一，它的任務是檢測頭部的姿態與方位。設計一種基于兩軸磁阻效應傳感器和三軸MEMS加速度傳感器的微型虛擬現實頭部跟蹤系統，首先闡述了系統的基本原理及整體構成，其次給出了硬件設計以及頭部方位、姿態求解的算法；最后，給出了系統的運行效果。結果表明，該頭部跟蹤系統可實際應用于頭部緩慢轉動場合．同時具有體積小、功耗低、性價比高的優點。
關鍵詞：磁阻效應傳感器；加速度傳感器；虛擬現實；頭部跟蹤系統

0 引言
虛擬現實(virtual reality，VR)技術，亦稱靈境技術，是一門由應用驅動的涉及眾多學科的新型實用技術，常集計算機技術、傳感與測量技術、傳真技術、微電子技術等于一體，通過創建一個三維視覺、聽覺和觸覺的環境，使用戶利用人機對話工具，同虛擬環境的物體進行交互操作，使用戶仿佛置身于現實環境之中，達到境界虛擬，感覺真實的效果。在現實世界中，有些環境人們難于身臨其境或者實現條件過高、費用過大，而虛擬現實卻能超越時間與空問、現實與抽象，將各種無法接觸的環境再現于人們的面前，為人類發展提供了一個新的途徑。目前，虛擬現實已應用于軍事、教育、醫學、產品設計、科學可視化、訓練、建筑、娛樂、藝術等各個方面。
實時交互性是虛擬現實的關鍵特征。為了實現人與計算機之間的交互，需要使用專門設計的輸入／輸出設備把用戶的命令輸入給計算機，同時把模擬過程中的反饋信息提供給用戶。這些設備包括大視角的立體顯示器、頭部跟蹤系統、三維聲音系統、觸覺反饋系統和力反饋系統等。其中跟蹤系統是虛擬現實人機交互的關鍵設備。如果沒有跟蹤系統，計算機就不能改變空間視圖，以配合用戶頭部的姿態變化，沉浸感也就蕩然無存。目前虛擬現實跟蹤系統主要有機械跟蹤系統、光學跟蹤系統、超聲波跟蹤系統、電磁場跟蹤系統等。但較完善的產品價格都很昂貴，對環境的要求比較嚴格，而且結構比較復雜。利用磁阻效應傳感器和MEMS加速度傳感器開發的虛擬現實跟蹤系統，不僅結構簡單、體積小、可靠性高，而且性價比高，適用面廣。

1 系統基本原理及整體構成
本系統主要由MSP430F149微控制器、兩軸磁阻效應傳感器HMCl022、三軸MEMS加速度傳感器MMA7455、藍牙模塊BC04組成。系統運行時，微控制器以lOO Hz的頻率采集磁阻效應傳感器和加速度傳感器的數據，并計算出用戶頭部的三維姿態信息，將其通過藍牙發送到計算機，計算機根據用戶頭部的三維姿態信息展示相應的視景，使用戶所看到視景跟隨頭部的運動而變化，產生真實的沉浸感。系統整體構成如圖1所示。