三軸體感云臺VR交互控制系統(tǒng)研究

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摘要:隨著機載云臺技術(shù)的不斷發(fā)展以及VR技術(shù)蘊含的巨大可能性，人們開始追求更優(yōu)良的沉浸式視覺模擬體驗。為降低體驗者的操作難度，設(shè)計了一種基于STM32F1單片機及現(xiàn)有VR技術(shù)的三軸體感云臺vr交互控制系統(tǒng)，通過體感來控制鏡頭轉(zhuǎn)向進行拍攝，低延遲無線傳輸視頻信息至顯示系統(tǒng)，實時獲得廣范圍監(jiān)控視角，同時三軸云臺機械結(jié)構(gòu)與PID算法結(jié)合，增穩(wěn)防抖性能良好。通過搭建實物進行測試，系統(tǒng)能夠便利實現(xiàn)體感控制和人機交互，能在多種環(huán)境下達到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：三軸云臺；體感交互控制；單片機；VR

引言

目前，市場上銷售較廣的云臺為兩軸云臺，已滿足固定攝像設(shè)備、擴大監(jiān)控范圍的功能。但隨著圖像采集需求日漸多樣化，普通兩軸云臺的缺點也逐漸顯露：延遲時間過長、畫面抖動較大，無法達到體感控制與人機交互等熱點需求的標準。本系統(tǒng)采用的三軸機械云臺能根據(jù)云臺姿態(tài)實時調(diào)整補償，消除畫面抖動，相較傳統(tǒng)技術(shù)大大提升畫面觀感，足以支持搭載平臺進行高難度動作而采集到的圖像清晰[1]。本系統(tǒng)由三大模塊組成：包括陀螺儀、單片機、云臺在內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與處理模塊；無線傳輸模塊；包括攝像頭、雙目VR眼鏡在內(nèi)的圖像采集與顯示模塊。

1系統(tǒng)性能目標

本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的云臺控制模式與體感控制結(jié)合，旨在實現(xiàn)及完善體感控制的功能，來達到人機交互的目的。通過陀螺儀采集VR眼鏡的轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給云臺聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)，云臺裝載的攝像頭獲取圖像并傳回VR眼鏡，實現(xiàn)實時控制。同時，增加復(fù)位按鍵，使攝像頭初始化與人方向一致。在已有傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，將角度分辨率（即指向精度）提高至0.01弧度（換算成角度即0.6度），那么就可以在一百米的距離處實現(xiàn)一米的分辨率；提高清晰度，實現(xiàn)7公里內(nèi)清晰度達到1080p；降低延遲時間，使其控制在1s以內(nèi)。

2系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與處理模塊、無線傳輸模塊、圖像采集與顯示模塊組成，其中數(shù)據(jù)采集與處理模塊由陀螺儀、單片機、云臺組成；無線傳輸模塊初步采用藍牙模塊實現(xiàn)，但不局限與藍牙模塊；圖像采集與顯示模塊由攝像頭實現(xiàn)圖像采集功能，VR眼鏡實現(xiàn)圖像顯示功能。體驗者佩戴VR眼鏡，通過復(fù)位按鍵使攝像頭方向與人體一致，隨后體驗者轉(zhuǎn)動視角，陀螺儀采集轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)，傳輸至單片機，經(jīng)過無線傳輸，把轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)傳輸至另一臺單片機，單片機控制云臺轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度，加裝在云臺上的攝像頭采集圖像，經(jīng)過圖像傳輸模塊傳遞回VR眼鏡，可實現(xiàn)體驗者與攝像頭的人機交互。

3子模塊

3.1數(shù)據(jù)采集與處理模塊

VR眼鏡經(jīng)佩戴者轉(zhuǎn)動進而產(chǎn)生三個方向的角度數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用陀螺儀模塊加裝在VR眼鏡上進行數(shù)據(jù)測量采集的方式，數(shù)據(jù)以高精度三軸姿態(tài)角度輸出，即翻滾角、俯仰角、航向角。陀螺儀模塊如圖1所示。陀螺儀采集數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸至單片機，單片機通過數(shù)據(jù)處理、無線傳輸?shù)皆婆_所在結(jié)構(gòu)，云臺根據(jù)所測得的三個方向的角度進行相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，以達到人機交互的目的。為滿足需要，本次設(shè)計所采用的云臺系配備大扭矩

3.2無線傳輸模塊

本次設(shè)計的VR交互系統(tǒng)需要在云臺模塊與VR眼鏡模塊之間具有一定距離的情況下實現(xiàn)視頻信號與頭部轉(zhuǎn)動信號的實時傳輸與處理，于是，本設(shè)計需要使用到一款滿足遠距離情況下低延遲大帶寬的信號傳輸模塊[2]。為此，本次設(shè)計的VR交互系統(tǒng)采用了TS835無線傳輸模塊，該模塊采用的是5.8G信號傳輸系統(tǒng)，可以滿足該設(shè)備的設(shè)計需求使用。同時其工作速率可達4Mbps，可以滿足視頻與陀螺儀數(shù)據(jù)的傳輸要求。為滿足數(shù)據(jù)傳輸，本次設(shè)計的VR眼鏡端搭載的陀螺儀將采集到的頭部轉(zhuǎn)動的角度信息傳輸?shù)皆婆_端的單片機中。同時，VR交互系統(tǒng)在云臺端產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通過單片機進行初步的處理之后就會經(jīng)過NRF24L01信號傳輸模塊輸入到VR眼鏡端的單片機中，進而通過單片機實現(xiàn)對云臺角度的控制。最終便可以實現(xiàn)在超低延遲下，VR眼鏡實時跟隨頭部轉(zhuǎn)動方向并看到實時畫面。

3.3圖像采集與顯示模塊

本次設(shè)計的VR交互系統(tǒng)的核心就在于將云臺上搭載的攝像頭拍攝的畫面實時傳輸?shù)絍R眼鏡的顯示端中，最終被眼睛所采集。為此，我們選擇了高清運動相機一枚，并將其搭載到三軸云臺上，其具有很好的視頻防抖功能，通過與云臺控制算法的配合，可以很好地防止圖像在采集過程中出現(xiàn)的抖動，同時該相機為數(shù)據(jù)傳輸模塊輸出1080P的高清視頻，可以通過圖傳傳輸?shù)絍R眼鏡端。頭戴VR系統(tǒng)中的視頻顯示模塊是由兩個獨立的顯示屏和兩套獨立的目鏡光學(xué)系統(tǒng)組成，每塊屏幕的分辨率達到1280*960，視角范圍是46°。采用OLED顯示屏可以有更鮮艷的色彩和更高的對比度。攝像頭捕獲的視屏可以在快速的明暗對比之下?lián)碛懈髲姶蟮募毠?jié)，這樣就大大增強了該VR云臺交互設(shè)備的使用場景，尤其是在視頻快速移動的場景中有著更強的應(yīng)用能力。同時兩套獨立的光學(xué)系統(tǒng)分別服務(wù)于使用者的左眼和右眼，通過瞳距的調(diào)節(jié)可以滿足大多數(shù)使用者的正常使用需求。其中+200（遠視）至-600（近視）的屈光度調(diào)節(jié)范圍可以讓有視力障礙的使用者暫時的放下沉重的眼鏡片。下圖便是VR眼鏡中的目鏡模塊搭載的凸透鏡，通過利用凸透鏡的匯聚功能來實現(xiàn)VR眼鏡將焦點匯于雙目，以達到較強的沉浸感。

3.4系統(tǒng)的程序設(shè)計

①定義串口及所要發(fā)送字符，并添加舵機控制函數(shù)；②傳送數(shù)據(jù)給匿名四軸上位機軟件（包括8位功能字、8位數(shù)據(jù)緩存區(qū)、8位有效數(shù)據(jù)個數(shù)）；③系統(tǒng)復(fù)制數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算校驗和，將數(shù)據(jù)發(fā)送到串口；④發(fā)送數(shù)據(jù)為加速度傳感器數(shù)據(jù)和陀螺儀數(shù)據(jù)：x,y,z三個方向上的加速度值及x,y,z三個方向上的陀螺儀值；⑤通過串口上報結(jié)算后的姿態(tài)數(shù)據(jù)給電腦，即x,y,z三個方向的角度：橫滾角、俯仰角、航向角；⑥一系列初始化操作：串口初始化、延時初始化、USMART初始化、初始化按鍵及陀螺儀模塊MPU6050；⑦得到加速度傳感器數(shù)據(jù)及陀螺儀數(shù)據(jù)；⑧不斷地把傳感器得到的角度值傳入舵機控制函數(shù)來控制舵機轉(zhuǎn)動的角度。

4結(jié)論

本系統(tǒng)將三軸云臺控制模式與VR技術(shù)結(jié)合起來，讓使用者獲得優(yōu)良的人機交互感和沉浸式體驗感，降低其工作量和操作難度，提高使用者對圖像接收處理的工作效率。在5G技術(shù)即將推行的當(dāng)下，對機載云臺技術(shù)和VR技術(shù)做出的每一步嘗試和實踐都可能在將來的軍事、航空、建筑等多個領(lǐng)域有著重要意義。

參考文獻

[1]陳亞靜.基于Unity3D和VR技術(shù)的數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)設(shè)計[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2019,20(3):67-71.

[2]梁爽,任杰.智能機械臂末端高精度控制的交互系統(tǒng)研究[J].機床與液壓,2020,48(11):53-57.

作者：程杰 王俊博 王鑒威 孫婷 唐海莉 韓瑜 滿朝陽 單位：北京信息科技大學(xué)