三軸體感云臺(tái)VR交互控制系統(tǒng)研究

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摘要:隨著機(jī)載云臺(tái)技術(shù)的不斷發(fā)展以及VR技術(shù)蘊(yùn)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(yàn)。為降低體驗(yàn)者的操作難度，設(shè)計(jì)了一種基于STM32F1單片機(jī)及現(xiàn)有VR技術(shù)的三軸體感云臺(tái)vr交互控制系統(tǒng)，通過(guò)體感來(lái)控制鏡頭轉(zhuǎn)向進(jìn)行拍攝，低延遲無(wú)線傳輸視頻信息至顯示系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲得廣范圍監(jiān)控視角，同時(shí)三軸云臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)與PID算法結(jié)合，增穩(wěn)防抖性能良好。通過(guò)搭建實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)能夠便利實(shí)現(xiàn)體感控制和人機(jī)交互，能在多種環(huán)境下達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：三軸云臺(tái)；體感交互控制；單片機(jī)；VR

引言

目前，市場(chǎng)上銷售較廣的云臺(tái)為兩軸云臺(tái)，已滿足固定攝像設(shè)備、擴(kuò)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(tái)的缺點(diǎn)也逐漸顯露：延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、畫面抖動(dòng)較大，無(wú)法達(dá)到體感控制與人機(jī)交互等熱點(diǎn)需求的標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用的三軸機(jī)械云臺(tái)能根據(jù)云臺(tái)姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整補(bǔ)償，消除畫面抖動(dòng)，相較傳統(tǒng)技術(shù)大大提升畫面觀感，足以支持搭載平臺(tái)進(jìn)行高難度動(dòng)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(jī)、云臺(tái)在內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與處理模塊；無(wú)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(biāo)

本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的云臺(tái)控制模式與體感控制結(jié)合，旨在實(shí)現(xiàn)及完善體感控制的功能，來(lái)達(dá)到人機(jī)交互的目的。通過(guò)陀螺儀采集VR眼鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給云臺(tái)聯(lián)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，云臺(tái)裝載的攝像頭獲取圖像并傳回VR眼鏡，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)一米的分辨率；提高清晰度，實(shí)現(xiàn)7公里內(nèi)清晰度達(dá)到1080p；降低延遲時(shí)間，使其控制在1s以內(nèi)。

2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與處理模塊、無(wú)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(jī)、云臺(tái)組成；無(wú)線傳輸模塊初步采用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)，但不局限與藍(lán)牙模塊；圖像采集與顯示模塊由攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像采集功能，VR眼鏡實(shí)現(xiàn)圖像顯示功能。體驗(yàn)者佩戴VR眼鏡，通過(guò)復(fù)位按鍵使攝像頭方向與人體一致，隨后體驗(yàn)者轉(zhuǎn)動(dòng)視角，陀螺儀采集轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，傳輸至單片機(jī)，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸，把轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸至另一臺(tái)單片機(jī)，單片機(jī)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，加裝在云臺(tái)上的攝像頭采集圖像，經(jīng)過(guò)圖像傳輸模塊傳遞回VR眼鏡，可實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)者與攝像頭的人機(jī)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(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生三個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)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(jī)，單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)處理、無(wú)線傳輸?shù)皆婆_(tái)所在結(jié)構(gòu)，云臺(tái)根據(jù)所測(cè)得的三個(gè)方向的角度進(jìn)行相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到人機(jī)交互的目的。為滿足需要，本次設(shè)計(jì)所采用的云臺(tái)系配備大扭矩

3.2無(wú)線傳輸模塊

本次設(shè)計(jì)的VR交互系統(tǒng)需要在云臺(tái)模塊與VR眼鏡模塊之間具有一定距離的情況下實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)與頭部轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸與處理，于是，本設(shè)計(jì)需要使用到一款滿足遠(yuǎn)距離情況下低延遲大帶寬的信號(hào)傳輸模塊[2]。為此，本次設(shè)計(jì)的VR交互系統(tǒng)采用了TS835無(wú)線傳輸模塊，該模塊采用的是5.8G信號(hào)傳輸系統(tǒng)，可以滿足該設(shè)備的設(shè)計(jì)需求使用。同時(shí)其工作速率可達(dá)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(jì)的VR眼鏡端搭載的陀螺儀將采集到的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息傳輸?shù)皆婆_(tái)端的單片機(jī)中。同時(shí)，VR交互系統(tǒng)在云臺(tái)端產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行初步的處理之后就會(huì)經(jīng)過(guò)NRF24L01信號(hào)傳輸模塊輸入到VR眼鏡端的單片機(jī)中，進(jìn)而通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)角度的控制。最終便可以實(shí)現(xiàn)在超低延遲下，VR眼鏡實(shí)時(shí)跟隨頭部轉(zhuǎn)動(dòng)方向并看到實(shí)時(shí)畫面。

3.3圖像采集與顯示模塊

本次設(shè)計(jì)的VR交互系統(tǒng)的核心就在于將云臺(tái)上搭載的攝像頭拍攝的畫面實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)相機(jī)一枚，并將其搭載到三軸云臺(tái)上，其具有很好的視頻防抖功能，通過(guò)與云臺(tái)控制算法的配合，可以很好地防止圖像在采集過(guò)程中出現(xiàn)的抖動(dòng)，同時(shí)該相機(jī)為數(shù)據(jù)傳輸模塊輸出1080P的高清視頻，可以通過(guò)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(gè)獨(dú)立的顯示屏和兩套獨(dú)立的目鏡光學(xué)系統(tǒng)組成，每塊屏幕的分辨率達(dá)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(duì)比度。攝像頭捕獲的視屏可以在快速的明暗對(duì)比之下?lián)碛懈髲?qiáng)大的細(xì)節(jié)，這樣就大大增強(qiáng)了該VR云臺(tái)交互設(shè)備的使用場(chǎng)景，尤其是在視頻快速移動(dòng)的場(chǎng)景中有著更強(qiáng)的應(yīng)用能力。同時(shí)兩套獨(dú)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(guò)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(yuǎn)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(shí)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(guò)利用凸透鏡的匯聚功能來(lái)實(shí)現(xiàn)VR眼鏡將焦點(diǎn)匯于雙目，以達(dá)到較強(qiáng)的沉浸感。

3.4系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

①定義串口及所要發(fā)送字符，并添加舵機(jī)控制函數(shù)；②傳送數(shù)據(jù)給匿名四軸上位機(jī)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(gè)數(shù)）；③系統(tǒng)復(fù)制數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算校驗(yàn)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(gè)方向上的加速度值及x,y,z三個(gè)方向上的陀螺儀值；⑤通過(guò)串口上報(bào)結(jié)算后的姿態(tài)數(shù)據(jù)給電腦，即x,y,z三個(gè)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(shí)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(jī)控制函數(shù)來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

4結(jié)論

本系統(tǒng)將三軸云臺(tái)控制模式與VR技術(shù)結(jié)合起來(lái)，讓使用者獲得優(yōu)良的人機(jī)交互感和沉浸式體驗(yàn)感，降低其工作量和操作難度，提高使用者對(duì)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(duì)機(jī)載云臺(tái)技術(shù)和VR技術(shù)做出的每一步嘗試和實(shí)踐都可能在將來(lái)的軍事、航空、建筑等多個(gè)領(lǐng)域有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

[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(jì)[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2019,20(3):67-71.

[2]梁爽,任杰.智能機(jī)械臂末端高精度控制的交互系統(tǒng)研究[J].機(jī)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(yáng) 單位：北京信息科技大學(xué)