??? 摘? 要： 根據(jù)永磁體在三維空間的特定分布規(guī)律設(shè)計了一種基于永磁跟蹤的殘疾人計算機輔助系統(tǒng)——一種跟蹤頭部運動的裝置。使用時將三軸磁場傳感器置于人頭部,，實時地接收永磁體的磁場信號，采用磁場跟蹤算法,，得到三軸磁場傳感器相對于永磁體的空間位置和姿勢,，進而得到人頭部的運動方向和角度，并將這些方向和角度作為控制信號,，控制屏幕上的鼠標(biāo)動作,，幫助操作者通過人機交互界面實現(xiàn)電腦屏幕鼠標(biāo)控制。?
??? 關(guān)鍵詞： 計算機輔助系統(tǒng),； 姿勢輸入,； 永磁跟蹤； 計算機虛擬實現(xiàn)技術(shù)
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??? 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是當(dāng)前信息領(lǐng)域中的一項尖端技術(shù)[1],是利用特定的輸入設(shè)備作為人和計算機的交互工具來模擬真實操作中的軟硬件環(huán)境, 用戶在操作過程中有身臨其境的感覺,。利用計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以幫助肢體殘缺者順利地操縱計算機[2],。?
??? 現(xiàn)有的殘疾人輔助系統(tǒng)都較復(fù)雜,不僅使用不便還需要長時間的訓(xùn)練才能操作，而且價格要比一般的電腦超出幾倍,，無法進入實際應(yīng)用領(lǐng)域,。為幫助肢體殘疾人使用計算機，本文開發(fā)了一種基于計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)和永磁跟蹤技術(shù)的殘疾人功能重建的計算機輔助系統(tǒng),。該系統(tǒng)通過對頭部進行永磁動態(tài)跟蹤, 并捕捉頭部的運動軌跡, 通過模式識別的方法,實現(xiàn)了高精度,、可靠的人-機接口, 使殘疾人可根據(jù)該部位的運動代替鼠標(biāo)操縱計算機的虛擬鍵盤, 實現(xiàn)對計算機的一系列基本操作。本系統(tǒng)較之單純利用腦電或肌電的人-機接口有更高的識別效率和準(zhǔn)確率,是一項非常有應(yīng)用價值和前景的殘疾人計算機輔助系統(tǒng),。?
1 基本原理?
??? 永磁體在空間的磁場分布具有特定的規(guī)律性,，有具體的解析表達(dá)式[3]。當(dāng)永磁體的尺寸遠(yuǎn)小于檢測點和永磁體間的距離時，永磁體可等效為磁偶極子,。故在實驗中始終保持傳感器和永磁體之間的距離在合適的范圍內(nèi),，因此,在本系統(tǒng)中可以將永磁體視為磁偶極子來計算。?
??? 磁偶極子會在它周圍產(chǎn)生一定的磁場,，其磁場強度與距離的關(guān)系可用公式(1)計算[5]：?
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式中,，
為磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率，μ0為真空磁導(dǎo)率,，
為磁矩方向的向量,，
量的長度。當(dāng)實驗環(huán)境和磁體確定時, 
因此,， 
??? 在本系統(tǒng)中,傳感器放置在人的頭部前額的位置,，傳感器會跟隨人頭部的運動而不斷改變位置，其自身的坐標(biāo)系也會相應(yīng)地發(fā)生改變,。設(shè)定一個固定的坐標(biāo)系如圖1所示,。?
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??? 相對于該固定坐標(biāo)系來說，傳感器的位置是改變的,。在此固定坐標(biāo)系中,，永磁體的中心點(a，b,，c)為坐標(biāo)原點O(0,，0，0),，
為z軸的方向,，其中一個傳感器的位置P表示為(x，y,， z),。傳感器與永磁體之間的向量可以表示為
所以P點位置的傳感器的磁場強度可以表示為：?
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??? 三個坐標(biāo)軸方向分量分別如式(3)、式(4),、式(5)表示：?
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??? 由上式可知：Bx,、By、Bz分別是(x,，y,，z)的函數(shù)，即B=f(x,，y,，z)。通過測量可以得到Bx,、By,、Bz的值,，從聯(lián)立方程可求出(x，y,，z)的坐標(biāo)值即所需要確定的頭部運動的位置,。?
??? 兩個三維磁場傳感器及其處理電路放置在人體頭部前額處，實時地接收磁場信號,，圓柱形永磁體固定在人體頭部周圍,，用于發(fā)射磁場。系統(tǒng)采集到的信號是傳感器相應(yīng)位置處的磁場作用所對應(yīng)的電壓信號,。根據(jù)磁場傳感器的工作特性和系統(tǒng)的放大倍數(shù)，由電壓信號可以得到傳感器相應(yīng)位置處的磁場強度信號,。采用磁場跟蹤算法[4]得到傳感器相對于永磁體的空間位置和姿勢,，進而得到人體頭部運動方向和角度，將這些方向和角度作為控制信號,，來控制屏幕上的鼠標(biāo)動作,，幫助操作者通過人機交互界面實現(xiàn)對電腦屏幕鼠標(biāo)的控制[5]。?
2 硬件設(shè)計?
2.1總體設(shè)計?
??? 本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,，整個硬件部分主要由五大模塊組成：三軸磁傳感器,、信號調(diào)理放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路,、微控制器和USB通訊電路,。系統(tǒng)框圖如圖2所示。?
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2.2 傳感器的選擇?
??? 本文選擇三軸方向的適用于低磁場磁性的,、高靈敏度(1mV/V/guass)的磁敏傳感器HMC1023,，這種磁敏傳感器內(nèi)部有由3組正交垂直的4個磁敏電阻組成的惠斯通電橋。當(dāng)外加磁場平行于磁敏電阻內(nèi)部磁化方向時,，其阻值不變,；當(dāng)外界磁場方向偏離時，其阻值變低,。若磁敏電阻中存在電流,，其阻值也將發(fā)生變化，其大小隨內(nèi)外兩磁場合成磁化方向與電流流向的相對關(guān)系而異,；趨于同向者增大,，背向者減小。磁敏電阻阻值的變化將引起電橋輸出電壓的變化,。這樣傳感器就成功地把外部的磁場強度信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號,，從而可以測量空間任一點的三個正交方向的磁場分量。?
2.3 信號調(diào)理放大?
??? 由于永磁體的磁場強度與距離的三次方成反比,，磁場強度衰減程度很大,，所以在近距離和遠(yuǎn)距離處得到傳感器輸出的相應(yīng)的電壓值變化范圍較大,。因此設(shè)計了放大倍數(shù)可調(diào)的放大電路。?
??? AD623儀表放大器是美國模擬器件公司推出的一種低價格,、單電源供電(+3V～+12V),、輸出擺幅能達(dá)到電源電壓(通常稱之為電源限輸出，即rail to rail output)的儀表放大器,。它具有很寬的共模輸入范圍和高的共模抑制比,，通過外接增益調(diào)節(jié)電阻可使用戶靈活地調(diào)節(jié)增益(1～1000)。增益與增益調(diào)節(jié)電阻的關(guān)系如下：?
??? RG=100kΩ/(G-1)??????????????????????????????????? ?(6)?
式中,，RG為增益調(diào)節(jié)電阻的阻值,，G為放大器的增益。?
??? 根據(jù)設(shè)計的需要,，本文采用2個AD623對信號進行兩級放大,。經(jīng)多路復(fù)用器選通后的差分信號接入到第一級放大器。經(jīng)過第一級放大后,，共模干擾得到了很好的抑制,，微弱的差分信號被提取出來并放大了10倍。第一級放大電路如圖3所示,。
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??? 第二級放大電路除了進一步對信號進行共模干擾的濾除和放大外,，還利用一片MAX4634實現(xiàn)了放大倍數(shù)可調(diào)。通過用單片機控制MAX4634的通道選擇來選擇增益調(diào)節(jié)電阻,，從而達(dá)到調(diào)節(jié)放大器增益的目的,，增益可在20～1000 調(diào)整。第二級放大電路及增益調(diào)節(jié)電阻選擇電路分別如圖4,、圖5所示,。?
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2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)?
??? 為了提高精度，將傳感器得到的信號轉(zhuǎn)換為單片機可以處理的數(shù)字信號,，本電路采用的MAX191 是12位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,，如圖6所示。MAX191是高速A/D轉(zhuǎn)換芯片,，它的平均轉(zhuǎn)換時間為7.5μs～8.125μs,，即采樣速率可以達(dá)到120kS/s左右，內(nèi)置參考電壓和內(nèi)部時鐘,。本電路的A/D轉(zhuǎn)換受單片機控制,，單片機通過片選口和讀寫口啟動A/D進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢向單片機送出高電平,，經(jīng)單片機查詢后,，分兩次讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低8位和高4位。?
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2.5 USB接口的硬件電路設(shè)計?
??? USB接口芯片采用Philips公司的PDIUSBD12,。該芯片符合通用串行總線USB 1.1版規(guī)范,，內(nèi)部集成有串行接口引擎(SIE),、320B FIFO存儲器、收發(fā)器(Transceiver)和電壓調(diào)節(jié)器,；采用8位并行數(shù)據(jù)線連接到MCU,，1位地址線用來區(qū)分寫命令或讀寫數(shù)據(jù);它支持3個雙向端點，端點0為控制端點(用于響應(yīng)主機的控制信號),，端點1,、端點2用于數(shù)據(jù)量的傳輸，其中端點0和端點1緩沖區(qū)的大小為16B(雙向模式),，端點2具有雙緩沖區(qū)能保存256B(輸入64×2,，輸出64×2)。端點還可配置僅為IN或者OUT成工作模式,。此外,端點2可用于同步,，批量或者中斷操作。PDIUSB D12的連接電路示意圖如圖7所示,。?
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??? 外部輸入的模擬信號經(jīng)過多路模擬開關(guān)送到A/D轉(zhuǎn)換器。微控制器控制A/D轉(zhuǎn)換啟動,、并讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),，將讀取的數(shù)據(jù)組織成USB的幀格式，并放入USB接口芯片的緩存中,。USB接口電路負(fù)責(zé)將緩存中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行的數(shù)據(jù)流通過USB總線發(fā)到上位機,。?
2.6 AT89S52接口設(shè)計?
??? 微控制器采用Atmel公司的AT89S52單片機,它是8位微控制器，片內(nèi)具有8KB Flash,，256KB RAM,。其接口電路設(shè)計如圖8所示。?
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３軟件設(shè)計?
??? 本系統(tǒng)中的頭部跟蹤算法是在Matlab 6.5環(huán)境下實現(xiàn)的,，然后通過程序接口鏈接到VC環(huán)境下使用,。?
??? 系統(tǒng)軟件的設(shè)計完全按照結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法來完成，將整個程序細(xì)分為若干個子程序(模塊),，以方便調(diào)試與檢查,。開發(fā)系統(tǒng)采用Keil C51編譯器和偉福仿真器。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀入采用查詢方式,。通過查詢MAX191的BUSY端的信號來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束,。整個開發(fā)過程如圖9所示。?
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4 實驗?
??? 固定系統(tǒng)中使用的三軸磁場傳感器,，使一均勻磁體沿X,、Y、Z傳感軸方向水平移動,。記錄磁體與傳感器的距離,，同時記錄下不同距離時的AD623的輸出電壓(此電壓是與永磁體在傳感器處的磁場強度有關(guān)的數(shù)值),，通過 MATLAB處理，得到了三軸磁場傳感器與永磁體在不同的間距情況下各向磁感應(yīng)強度的值,如圖10所示(此處用電壓代表磁感應(yīng)強度值),。?
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??? 由圖10可知,，本系統(tǒng)中磁體與傳感器間的間距為150mm～350mm之間，在此間距之內(nèi),，既可以把永磁體等效為磁偶極子模型進行計算,，又可以防止距離過遠(yuǎn)磁場信號衰減太大，后續(xù)信號處理困難,。?
??? 本實驗系統(tǒng)的虛擬鍵盤的排列方式如圖11所示,，目前還處于實驗階段，由健康人進行模擬實驗,，僅僅依靠頭部的運動,，完成若干字符向計算機的輸入工作。圖12為實驗時實驗者頭部運動時,，系統(tǒng)軟件跟蹤頭部運動的軌跡圖,，可以進行三維和二維的實時跟蹤。?
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??? 實驗者以頭部的平移來尋找相應(yīng)的字母,，每個字母的距離約為15mm,。使用者與屏幕有一定的距離，字母的分辨率比較精確,，找到相應(yīng)的字母后,，使用者以頭部的上下或者左右幅度的運動來使光標(biāo)移動范圍覆蓋整個虛擬鍵盤或整個電腦屏幕，利用光標(biāo)停留在一個字母上一段時間（具體可以根據(jù)實際情況設(shè)定）,，來確定選中該字母鍵,，或者利用光標(biāo)停留時間的長短模擬一般鼠標(biāo)的點擊、雙點擊,、選擇,、復(fù)制、粘貼等功能,，由此完成文本的輸入及簡單的文字寫作操作或者處理電子郵件,，玩電子游戲等功能。?
??? 實驗表明,，本系統(tǒng)中的頭部動態(tài)永磁跟蹤功能可滿足對頭部運動的實時反應(yīng),，可獲得若干簡單的空間運動模式。經(jīng)過訓(xùn)練,，使用者可以完成指定字符的輸入,，字母的輸入速度可達(dá)到約22字/min，這與操練人員的熟練程度有關(guān),。對于系統(tǒng)的誤操作,，可以通過界面的cancel鍵采用重新輸入的方式加以糾正,，使用比較方便。?
??? 本文介紹的系統(tǒng)小巧輕便,，普通人不需要經(jīng)過長時間的訓(xùn)練即可操作,。整個系統(tǒng)只需要在普通電腦的基礎(chǔ)上，再配備大約500元左右的輔助設(shè)備就可以使用,，價格低廉,，非常適合日常應(yīng)用，有一定的推廣價值,；另外,，系統(tǒng)中使用了自己設(shè)計的帶有USB接口的高速采集系統(tǒng)，實時性較好,，能夠?qū)崟r控制人機界面進行英文字母或者漢字,、阿拉伯?dāng)?shù)字的輸入，具有很高的分辨率和容錯性,，操作靈活,，魯棒性較強。這對于那些無法操作電腦的殘疾人來說是一個很好的工具,。?
參考文獻?
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