??? 摘? 要： 根據永磁體在三維空間的特定分布規律設計了一種基于永磁跟蹤的殘疾人計算機輔助系統——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，控制屏幕上的鼠標動作，幫助操作者通過人機交互界面實現電腦屏幕鼠標控制。?
??? 關鍵詞： 計算機輔助系統； 姿勢輸入； 永磁跟蹤； 計算機虛擬實現技術
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??? 虛擬現實技術是當前信息領域中的一項尖端技術[1],是利用特定的輸入設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。利用計算機虛擬現實技術可以幫助肢體殘缺者順利地操縱計算機[2]。?
??? 現有的殘疾人輔助系統都較復雜,不僅使用不便還需要長時間的訓練才能操作，而且價格要比一般的電腦超出幾倍，無法進入實際應用領域。為幫助肢體殘疾人使用計算機，本文開發了一種基于計算機虛擬現實技術和永磁跟蹤技術的殘疾人功能重建的計算機輔助系統。該系統通過對頭部進行永磁動態跟蹤, 并捕捉頭部的運動軌跡, 通過模式識別的方法,實現了高精度、可靠的人-機接口, 使殘疾人可根據該部位的運動代替鼠標操縱計算機的虛擬鍵盤, 實現對計算機的一系列基本操作。本系統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確率,是一項非常有應用價值和前景的殘疾人計算機輔助系統。?
1 基本原理?
??? 永磁體在空間的磁場分布具有特定的規律性，有具體的解析表達式[3]。當永磁體的尺寸遠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，因此,在本系統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生一定的磁場，其磁場強度與距離的關系可用公式(1)計算[5]：?
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式中，
為磁介質的相對磁導率，μ0為真空磁導率，
為磁矩方向的向量，
量的長度。當實驗環境和磁體確定時, 
因此， 
??? 在本系統中,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，其自身的坐標系也會相應地發生改變。設定一個固定的坐標系如圖1所示。?
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??? 相對于該固定坐標系來說，傳感器的位置是改變的。在此固定坐標系中，永磁體的中心點(a，b，c)為坐標原點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，即B=f(x，y，z)。通過測量可以得到Bx、By、Bz的值，從聯立方程可求出(x，y，z)的坐標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，用于發射磁場。系統采集到的信號是傳感器相應位置處的磁場作用所對應的電壓信號。根據磁場傳感器的工作特性和系統的放大倍數，由電壓信號可以得到傳感器相應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動作，幫助操作者通過人機交互界面實現對電腦屏幕鼠標的控制[5]。?
2 硬件設計?
2.1總體設計?
??? 本系統采用模塊化設計，整個硬件部分主要由五大模塊組成：三軸磁傳感器、信號調理放大電路、A/D轉換電路、微控制器和USB通訊電路。系統框圖如圖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。當外加磁場平行于磁敏電阻內部磁化方向時，其阻值不變；當外界磁場方向偏離時，其阻值變低。若磁敏電阻中存在電流，其阻值也將發生變化，其大小隨內外兩磁場合成磁化方向與電流流向的相對關系而異；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換為相應的電壓信號，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，所以在近距離和遠距離處得到傳感器輸出的相應的電壓值變化范圍較大。因此設計了放大倍數可調的放大電路。?
??? 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，通過外接增益調節電阻可使用戶靈活地調節增益(1～1000)。增益與增益調節電阻的關系如下：?
??? RG=100kΩ/(G-1)??????????????????????????????????? ?(6)?
式中，RG為增益調節電阻的阻值，G為放大器的增益。?
??? 根據設計的需要，本文采用2個AD623對信號進行兩級放大。經多路復用器選通后的差分信號接入到第一級放大器。經過第一級放大后，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實現了放大倍數可調。通過用單片機控制MAX4634的通道選擇來選擇增益調節電阻，從而達到調節放大器增益的目的，增益可在20～1000 調整。第二級放大電路及增益調節電阻選擇電路分別如圖4、圖5所示。?
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2.4 模數轉換(ADC)?
??? 為了提高精度，將傳感器得到的信號轉換為單片機可以處理的數字信號，本電路采用的MAX191 是12位模數轉換電路，如圖6所示。MAX191是高速A/D轉換芯片，它的平均轉換時間為7.5μs～8.125μs，即采樣速率可以達到120kS/s左右，內置參考電壓和內部時鐘。本電路的A/D轉換受單片機控制，單片機通過片選口和讀寫口啟動A/D進行轉換，轉換完畢向單片機送出高電平，經單片機查詢后，分兩次讀出轉換數據的低8位和高4位。?
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2.5 USB接口的硬件電路設計?
??? 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版規范，內部集成有串行接口引擎(SIE)、320B FIFO存儲器、收發器(Transceiver)和電壓調節器；采用8位并行數據線連接到MCU，1位地址線用來區分寫命令或讀寫數據;它支持3個雙向端點，端點0為控制端點(用于響應主機的控制信號)，端點1、端點2用于數據量的傳輸，其中端點0和端點1緩沖區的大小為16B(雙向模式)，端點2具有雙緩沖區能保存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過多路模擬開關送到A/D轉換器。微控制器控制A/D轉換啟動、并讀取轉換后的數據，將讀取的數據組織成USB的幀格式，并放入USB接口芯片的緩存中。USB接口電路負責將緩存中的數據轉換成串行的數據流通過USB總線發到上位機。?
2.6 AT89S52接口設計?
??? 微控制器采用Atmel公司的AT89S52單片機,它是8位微控制器，片內具有8KB Flash，256KB RAM。其接口電路設計如圖8所示。?
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３軟件設計?
??? 本系統中的頭部跟蹤算法是在Matlab 6.5環境下實現的，然后通過程序接口鏈接到VC環境下使用。?
??? 系統軟件的設計完全按照結構化的程序設計方法來完成，將整個程序細分為若干個子程序(模塊)，以方便調試與檢查。開發系統采用Keil C51編譯器和偉福仿真器。A/D轉換結果的讀入采用查詢方式。通過查詢MAX191的BUSY端的信號來判斷轉換是否結束。整個開發過程如圖9所示。?
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4 實驗?
??? 固定系統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的數值)，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強度的值,如圖10所示(此處用電壓代表磁感應強度值)。?
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??? 由圖10可知，本系統中磁體與傳感器間的間距為150mm～350mm之間，在此間距之內，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磁場信號衰減太大，后續信號處理困難。?
??? 本實驗系統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移動范圍覆蓋整個虛擬鍵盤或整個電腦屏幕，利用光標停留在一個字母上一段時間（具體可以根據實際情況設定），來確定選中該字母鍵，或者利用光標停留時間的長短模擬一般鼠標的點擊、雙點擊、選擇、復制、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，本系統中的頭部動態永磁跟蹤功能可滿足對頭部運動的實時反應，可獲得若干簡單的空間運動模式。經過訓練，使用者可以完成指定字符的輸入，字母的輸入速度可達到約22字/min，這與操練人員的熟練程度有關。對于系統的誤操作，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。?
??? 本文介紹的系統小巧輕便，普通人不需要經過長時間的訓練即可操作。整個系統只需要在普通電腦的基礎上，再配備大約500元左右的輔助設備就可以使用，價格低廉，非常適合日常應用，有一定的推廣價值；另外，系統中使用了自己設計的帶有USB接口的高速采集系統，實時性較好，能夠實時控制人機界面進行英文字母或者漢字、阿拉伯數字的輸入，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?
[1] MUNIER M, BENALI K. Transactional approach [A].IEEE Conference, Berlin, Germany, 1999:1926-1931. ?
[2] KIM K H， KIM H K, SON W H. Artifact-based humancomputer interface for the handicapped.? M. Rauterberg?(Ed.):ICEC 2004, LNCS 3166, 2004, 386-392.?
[3] INGARDEN R S, JAMIOLKOWSKI A. Classical electrodynamics. Elsevier Science Publishers B.V., Poland, 1985：220-222.?
[4]?MEYER? K, WHITE A. A survey of position trackers.MIT ? Press, 1992. ?
[5] RODGERS A G. Advances in head tracker technology-a?key contributor to helmet vision system performance and implementation.Society for Information Display International?symposium, Digest of Technical Papers, 1991.