三軸體感云臺VR交互控制系統研究
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摘要:隨著機載云臺技術的不斷發展以及VR技術蘊含的巨大可能性，人們開始追求更優良的沉浸式視覺模擬體驗。為降低體驗者的操作難度，設計了一種基于STM32F1單片機及現有VR技術的三軸體感云臺vr交互控制系統，通過體感來控制鏡頭轉向進行拍攝，低延遲無線傳輸視頻信息至顯示系統，實時獲得廣范圍監控視角，同時三軸云臺機械結構與PID算法結合，增穩防抖性能良好。通過搭建實物進行測試，系統能夠便利實現體感控制和人機交互，能在多種環境下達到預期效果。
關鍵詞：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，已滿足固定攝像設備、擴大監控范圍的功能。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。本系統采用的三軸機械云臺能根據云臺姿態實時調整補償，消除畫面抖動，相較傳統技術大大提升畫面觀感，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]。本系統由三大模塊組成：包括陀螺儀、單片機、云臺在內的數據采集與處理模塊；無線傳輸模塊；包括攝像頭、雙目VR眼鏡在內的圖像采集與顯示模塊。
1系統性能目標
本系統將傳統的云臺控制模式與體感控制結合，旨在實現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眼鏡的轉動數據，將數據傳輸給云臺聯動機械結構，云臺裝載的攝像頭獲取圖像并傳回VR眼鏡，實現實時控制。同時，增加復位按鍵，使攝像頭初始化與人方向一致。在已有傳統技術的基礎上，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一米的分辨率；提高清晰度，實現7公里內清晰度達到1080p；降低延遲時間，使其控制在1s以內。
2系統整體設計
本系統由數據采集與處理模塊、無線傳輸模塊、圖像采集與顯示模塊組成，其中數據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，但不局限與藍牙模塊；圖像采集與顯示模塊由攝像頭實現圖像采集功能，VR眼鏡實現圖像顯示功能。體驗者佩戴VR眼鏡，通過復位按鍵使攝像頭方向與人體一致，隨后體驗者轉動視角，陀螺儀采集轉動數據，傳輸至單片機，經過無線傳輸，把轉動數據傳輸至另一臺單片機，單片機控制云臺轉動相應角度，加裝在云臺上的攝像頭采集圖像，經過圖像傳輸模塊傳遞回VR眼鏡，可實現體驗者與攝像頭的人機交互。
3子模塊
3.1數據采集與處理模塊
VR眼鏡經佩戴者轉動進而產生三個方向的角度數據，本系統采用陀螺儀模塊加裝在VR眼鏡上進行數據測量采集的方式，數據以高精度三軸姿態角度輸出，即翻滾角、俯仰角、航向角。陀螺儀模塊如圖1所示。陀螺儀采集數據后，將數據傳輸至單片機，單片機通過數據處理、無線傳輸到云臺所在結構，云臺根據所測得的三個方向的角度進行相應旋轉，以達到人機交互的目的。為滿足需要，本次設計所采用的云臺系配備大扭矩
3.2無線傳輸模塊
本次設計的VR交互系統需要在云臺模塊與VR眼鏡模塊之間具有一定距離的情況下實現視頻信號與頭部轉動信號的實時傳輸與處理，于是，本設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，本次設計的VR交互系統采用了TS835無線傳輸模塊，該模塊采用的是5.8G信號傳輸系統，可以滿足該設備的設計需求使用。同時其工作速率可達4Mbps，可以滿足視頻與陀螺儀數據的傳輸要求。為滿足數據傳輸，本次設計的VR眼鏡端搭載的陀螺儀將采集到的頭部轉動的角度信息傳輸到云臺端的單片機中。同時，VR交互系統在云臺端產生的視頻數據數據通過單片機進行初步的處理之后就會經過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對云臺角度的控制。最終便可以實現在超低延遲下，VR眼鏡實時跟隨頭部轉動方向并看到實時畫面。
3.3圖像采集與顯示模塊
本次設計的VR交互系統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到VR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的抖動，同時該相機為數據傳輸模塊輸出1080P的高清視頻，可以通過圖傳傳輸到VR眼鏡端。頭戴VR系統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系統組成，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擁有更大強大的細節，這樣就大大增強了該VR云臺交互設備的使用場景，尤其是在視頻快速移動的場景中有著更強的應用能力。同時兩套獨立的光學系統分別服務于使用者的左眼和右眼，通過瞳距的調節可以滿足大多數使用者的正常使用需求。其中+200（遠視）至-600（近視）的屈光度調節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VR眼鏡將焦點匯于雙目，以達到較強的沉浸感。
3.4系統的程序設計
①定義串口及所要發送字符，并添加舵機控制函數；②傳送數據給匿名四軸上位機軟件（包括8位功能字、8位數據緩存區、8位有效數據個數）；③系統復制數據，經過計算校驗和，將數據發送到串口；④發送數據為加速度傳感器數據和陀螺儀數據：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通過串口上報結算后的姿態數據給電腦，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據及陀螺儀數據；⑧不斷地把傳感器得到的角度值傳入舵機控制函數來控制舵機轉動的角度。
4結論
本系統將三軸云臺控制模式與VR技術結合起來，讓使用者獲得優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技術即將推行的當下，對機載云臺技術和VR技術做出的每一步嘗試和實踐都可能在將來的軍事、航空、建筑等多個領域有著重要意義。
參考文獻
[1]陳亞靜.基于Unity3D和VR技術的數字校園體感交互系統設計[J].長春工程學院學報(自然科學版),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