余 景

(西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)

1 引言

現(xiàn)階段隨著網(wǎng)絡(luò)信息以及嵌入式系統(tǒng)[1]技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式接入Internet端口服務(wù)器已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中廣泛應(yīng)用，因?yàn)槠淇梢赃\(yùn)用本身的通用性以及交互性來為嵌入式設(shè)備提供新的網(wǎng)絡(luò)端口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

多層級(jí)力覺交互技術(shù)[2]是指在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建一個(gè)既模擬又真實(shí)的場(chǎng)景，保證操作過程具有良好且真實(shí)的環(huán)境感受。在虛擬場(chǎng)景構(gòu)建中，為了打造相對(duì)逼真的模擬物理場(chǎng)景，需要把該場(chǎng)景中的全部物體特征反饋給操作者。在交互過程中，所應(yīng)用的場(chǎng)景信息均是肉眼可見的視覺信息，在此基礎(chǔ)上，借助一定的工具對(duì)模擬環(huán)境進(jìn)行具體操作，由此來感受該環(huán)境帶來的反作用力。同時(shí)為了加強(qiáng)交互系統(tǒng)整體的真實(shí)感，需要結(jié)合圖顯和力覺顯示，才能夠明顯的感受出力覺交互。

力覺交互系統(tǒng)是一個(gè)擁有反饋能力的人機(jī)交互設(shè)備，這個(gè)系統(tǒng)還可以讓實(shí)際運(yùn)行者對(duì)虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行實(shí)際操作，以實(shí)現(xiàn)感受到物體反作用力[3]的目的。

宋達(dá)等人[4]設(shè)計(jì)一種結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的柔索牽引式力覺交互機(jī)器人。首先，根據(jù)微重力環(huán)境中物體的運(yùn)動(dòng)特性設(shè)計(jì)機(jī)器人構(gòu)型，建立移動(dòng)平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)單元、人推物體運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。然后，針對(duì)系統(tǒng)冗余驅(qū)動(dòng)及力控制任務(wù)，提出一種復(fù)合控制策略，即以柔索長(zhǎng)度變化為速度控制內(nèi)環(huán)，力的外環(huán)控制為力/速混合控制，完成力覺交互研究。

王坤等人[5]提出采用基于位置的流體來模擬剛體工具與流體的交互。該方法在傳統(tǒng)光滑粒子動(dòng)力學(xué)算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，基于CUDA并行計(jì)算平臺(tái)實(shí)時(shí)模擬交互過程，并結(jié)合力覺交互設(shè)備實(shí)時(shí)輸出交互力，完整二者之間的在線交互變化研究。

但是上述兩種方法的模擬過程過于復(fù)雜，且模擬場(chǎng)景真實(shí)性較差?；诖?，提出支持嵌入式Web服務(wù)器的多層級(jí)力覺交互方法，在嵌入式Web服務(wù)器的基礎(chǔ)上添加離散LOD模型，獲取相對(duì)應(yīng)的多層級(jí)力覺交互序列號(hào)。根據(jù)SCP層級(jí)映射算法，獲得模型的速度參數(shù)值以及切換速度，完成力覺交互。

2 嵌入式Web服務(wù)器框架設(shè)計(jì)

通常情況下，嵌入式服務(wù)器會(huì)將Web引入到控制測(cè)試設(shè)備中，在擁有相對(duì)硬件、軟件系統(tǒng)支持的情況下，讓該技術(shù)變成底層通信協(xié)議，形成以Web為中心的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試和控制端口設(shè)備。該設(shè)備的具體執(zhí)行功能是：網(wǎng)絡(luò)頁(yè)面信息發(fā)布，其中包括靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息；提供固定接口，進(jìn)行有效的檢測(cè)設(shè)備連接。由于這項(xiàng)技術(shù)的公共開放性和本身獨(dú)有的平臺(tái)特性，在一定程度上會(huì)大幅度減少軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及維護(hù)工作的難度，從根本上提升對(duì)連接端口設(shè)備的管理能力。

常見的嵌入式系統(tǒng)有Boa、httpd等系統(tǒng)，其中Boa[6]是一個(gè)運(yùn)行在整體系統(tǒng)中的單獨(dú)服務(wù)器，它的特征是小巧便捷，所以更加適合用于嵌入式環(huán)境。在Boa運(yùn)行中，假設(shè)有兩個(gè)用戶同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行訪問，那么就會(huì)出現(xiàn)其中某一用戶必須等待的情況，該服務(wù)器會(huì)形成一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程步驟來處理這一情況，因此便會(huì)占用少部分的資源，具體的服務(wù)器結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 Web服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖

嵌入式系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)及以太網(wǎng)控制器作為整個(gè)服務(wù)器的核心電路。其中采用具有16位的單片機(jī)，該單片機(jī)同時(shí)擁有16個(gè)通道、10位模擬數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換器，它的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的適用性以及更好的系統(tǒng)擴(kuò)展性。傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)選擇以太網(wǎng)的目的是完成PC機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在實(shí)際運(yùn)用中這些組成器件都具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積過大的缺點(diǎn)。嵌入式Web服務(wù)器在一般情況下采用協(xié)同式任務(wù)處理方式，可以與Microchip TCP/IP協(xié)議棧和主應(yīng)用程序共存。

3 基于速度驅(qū)動(dòng)的力覺渲染

3.1 速度驅(qū)動(dòng)模型構(gòu)建

根據(jù)人們接觸某種物體的感覺規(guī)律，在人與虛擬環(huán)境進(jìn)行力覺交互的過程中，交互速度和操作人員感覺到的物體特征之間存在必要關(guān)系。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)所探測(cè)物體平面的曲率取值過高時(shí)，探測(cè)操作者便會(huì)自動(dòng)降低探測(cè)LOD模型[7]的整體速度。

此外，在實(shí)際的交互過程中因?yàn)榫唧w的交互速度具有明顯差異，因此會(huì)直接導(dǎo)致計(jì)算耗時(shí)和復(fù)雜程度有所不同。在碰撞檢測(cè)算法中，用HIPi表示力覺設(shè)備點(diǎn)的基本位置，HIPi-1則表示上一次循環(huán)時(shí)力覺設(shè)備點(diǎn)的位置，SCPi-1表示上一次循環(huán)時(shí)虛擬工具點(diǎn)的位置，那么循環(huán)軌跡線段長(zhǎng)度就可以定義為li=|HIPi-1HIPi|。用vi描述循環(huán)時(shí)人機(jī)交互的速度，即交互運(yùn)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)速度，則循環(huán)軌跡線段長(zhǎng)度可以表示為

li=T·vi

(1)

其中，T表示循環(huán)耗時(shí)。

根據(jù)上式可得知，軌跡線段的具體長(zhǎng)度與運(yùn)動(dòng)速度成正比例關(guān)系。在交互過程中，操作人員的手速越快，就會(huì)出現(xiàn)具體運(yùn)動(dòng)軌跡越長(zhǎng)的情況，在這其中經(jīng)過碰撞檢測(cè)的三角片[8]也會(huì)出現(xiàn)迭加，這一情況也間接的讓力覺循環(huán)耗時(shí)變長(zhǎng)，從而直接影響交互結(jié)果的真實(shí)性。

根據(jù)上述分析可知，在滿足力覺真實(shí)性的前提下，虛擬模型可以支撐的整體交互時(shí)間與相對(duì)模型之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，并且可以得知在運(yùn)行過程中，交互過程用時(shí)越短，對(duì)應(yīng)的模型復(fù)雜度就會(huì)越小，是一種整體呈遞減性的函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)線性規(guī)律可以得知?jiǎng)?chuàng)建LOD模型的基本思想。所以依據(jù)下圖2，提出基于LOD模型的速度驅(qū)動(dòng)模型，在該模型中層級(jí)越小就會(huì)越細(xì)致，而細(xì)致程度會(huì)隨著具體序列號(hào)的提升而逐漸遞減。

圖2 速度驅(qū)動(dòng)模型

根據(jù)上圖2可知，圖中層級(jí)的切換精準(zhǔn)度是由不同模型的需求決定的，其中速度參數(shù)值則需要根據(jù)不同模型的實(shí)驗(yàn)來確定。因此需要針對(duì)不同層級(jí)模型進(jìn)行交互計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確認(rèn)能否滿足模型的限制速度閾值條件，從而確定模型的速度參數(shù)值以及切換速度。

在實(shí)際交互操作中，假設(shè)三個(gè)層級(jí)中前兩個(gè)層級(jí)需要進(jìn)行切換，其中L0與L1之間的切換速度V01，L1和L2之間的切換速度V12。在應(yīng)用速度驅(qū)動(dòng)LOD力覺渲染算法的過程中，當(dāng)速度小于或等于V01時(shí)，就會(huì)采用相對(duì)精細(xì)的層級(jí)L0，當(dāng)速度高于V01且小于V12時(shí)，將采用中間的層級(jí)L1，最后當(dāng)速度大于等于V12時(shí)，則會(huì)采用相對(duì)較粗糙的層級(jí)L2。

在進(jìn)行力覺交互的過程中，需要先計(jì)算出相對(duì)交互速度，然后得出目標(biāo)多層級(jí)的序列號(hào)，設(shè)置對(duì)應(yīng)交互層級(jí)從而完成LOD速度驅(qū)動(dòng)模型的構(gòu)建。

3.2 多層級(jí)力覺交互映射算法

在對(duì)上述模型進(jìn)行驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)在層級(jí)切換過程中存在明顯的振動(dòng)幅度，因此在對(duì)振動(dòng)原因分析后，在LOD速度切換模型的基礎(chǔ)上提出SCP多層級(jí)映射算法。振動(dòng)是由于層級(jí)之間的結(jié)構(gòu)誤差而導(dǎo)致的，為了解決這一問題，映射算法的整體研究過程如下：

首先如下圖所示，在交互速度減緩的時(shí)候，虛擬環(huán)境中的交互模型需要對(duì)其進(jìn)行切換層級(jí)，從力覺渲染[9]的整體過程可以明顯看出之前的碰撞結(jié)果，并且目前的交互狀態(tài)也正位于某一碰撞的發(fā)生階段。根據(jù)映射來對(duì)SCPi進(jìn)行求解，從而確保多層級(jí)力覺交互的連續(xù)性，并且消除振動(dòng)感。

圖3 多層級(jí)映射圖

其次為了可以在實(shí)際操作中更明顯的指出某一處問題，通過映射交互算法判定映射約束線段[10]和映射約束包圍盒單元[11]，具體過程分別如下所示：

(2)

(3)

2)映射約束包圍盒單元：根據(jù)上述映射線段即可將其包圍盒單元看做是一個(gè)完全相交的哈希單元，如圖4所示，在計(jì)算出Li上的某一點(diǎn)SCPi時(shí)，就要將p1和p2的網(wǎng)格交點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，便可通過網(wǎng)格之間的聯(lián)系將三角片和p1p2進(jìn)行交點(diǎn)計(jì)算，進(jìn)一步得出SCPi。

圖4 映射約束線段、包圍盒單元

在完成上述映射交算法判定的基礎(chǔ)上，采用GHOST SDK計(jì)算二者的正交函數(shù)，具體計(jì)算過程如下所示：

選擇一條長(zhǎng)度為L(zhǎng)的約束線段；

依據(jù)SCPi和Fi-1來構(gòu)建映射約束，并且對(duì)映射約束包圍盒集合進(jìn)行計(jì)算；

對(duì)包圍盒單元進(jìn)行探測(cè)，尋找具有關(guān)聯(lián)性的三角片，假設(shè)有對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)的三角片，那么將根據(jù)具體理論判斷是否與映射線段之間有交點(diǎn)，相交則進(jìn)行記錄，不相交則判定包圍盒是否結(jié)束[12]。

4 力覺交互的穩(wěn)定性分析

在實(shí)際操作力覺交互系統(tǒng)時(shí)，需要確保力覺交互設(shè)備、構(gòu)建的虛擬環(huán)境以及被動(dòng)操作者阻抗組合后系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。在一般的虛擬環(huán)境性質(zhì)下，兩個(gè)端口系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定的理論可以計(jì)算出確保系統(tǒng)穩(wěn)定性的虛擬環(huán)境參數(shù)范圍，則系統(tǒng)的整體混合參數(shù)方程為：

(4)

Re(Yep·fh)≥0

(5)

其中，Re(.)表示穩(wěn)定性函數(shù)，Yep表示力覺交互設(shè)備和構(gòu)建的虛擬環(huán)境參數(shù)值。

在純質(zhì)量虛擬環(huán)境中，系統(tǒng)針對(duì)虛擬環(huán)境的模擬能力是根據(jù)虛擬環(huán)境質(zhì)量范圍來判定的。其中系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定的必要條件為：

Yep≥2Ktr-mω2

(6)

其中，Ktr表示穩(wěn)定參數(shù)，m表示穩(wěn)定干擾系數(shù)，ω表示范圍指數(shù)。

當(dāng)范圍指數(shù)ω=0時(shí)，上式的右側(cè)將會(huì)選取最大值，因此則有：

Yep≥2Ktr

(7)

根據(jù)式(7)可以完成系統(tǒng)穩(wěn)定性的估測(cè)。

5 仿真研究

為了驗(yàn)證支持嵌入式Web服務(wù)器的多層級(jí)力覺交互方法的綜合性能，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際仿真中，將對(duì)多種不同精度的層級(jí)進(jìn)行切換速度的交互實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過不同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景來進(jìn)一步證明復(fù)雜程度以及層級(jí)(具體是指上述中的三角片數(shù)量)、實(shí)際操作中層級(jí)之間的切換速度以及算法之間的穩(wěn)定性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并將所提方法與基于虛擬現(xiàn)實(shí)以及基于位置的交互方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

5.1 平面滑動(dòng)探查試驗(yàn)

首先構(gòu)建出正方形平面，這個(gè)平面在坐標(biāo)系處于xOy平面中，其中心點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)重合。根據(jù)所提出的方法，對(duì)交互過程中的穩(wěn)定性影響以及場(chǎng)景影響的交互速度進(jìn)行分析。為了得知變量對(duì)穩(wěn)定性的影響因素，實(shí)驗(yàn)分為以下部分：

1)在一定程度上對(duì)交互實(shí)驗(yàn)中的三角片進(jìn)行數(shù)量控制，并且單獨(dú)分析不同的復(fù)雜場(chǎng)景對(duì)穩(wěn)定性的具體影響；

2)在固定三角片數(shù)量的場(chǎng)景下，再次研究交互的速度對(duì)穩(wěn)定性的影響。

下列將詳細(xì)描述本次仿真的結(jié)果：

交互場(chǎng)景整體復(fù)雜度對(duì)穩(wěn)定性的影響，針對(duì)場(chǎng)景三角片數(shù)量分別為800與5000兩種情況，進(jìn)行快速(平均速度120mm/s以上)滑動(dòng)交互，其輸出力信號(hào)及相對(duì)應(yīng)的速度曲線分別如下圖所示。圖5(a)中曲線和圓圈分別表示x，y方向的力信號(hào)，圖5(b)中曲線表示z方向的速度信號(hào)。

圖5 三角片數(shù)量800的力覺曲線、速度曲線

根據(jù)圖5、圖6可以得知，在場(chǎng)景層級(jí)數(shù)量少的時(shí)候，進(jìn)行相對(duì)加速與減速的估測(cè)，力覺信號(hào)都會(huì)很穩(wěn)定，并且這時(shí)的效果是最真實(shí)的，但由于此步驟為平面探查實(shí)驗(yàn)，所以在圖5中橫軸與縱軸的方向分力都是0，當(dāng)交互工具進(jìn)入自由空間時(shí)，z方向的分力也將會(huì)是0。反之，當(dāng)交互層級(jí)一直疊加到5000的時(shí)候，如圖6所示，橫軸與縱軸方向變發(fā)生了變化，三個(gè)方向也同時(shí)都發(fā)生了力覺改變，這時(shí)在實(shí)驗(yàn)中操作人員就可以感受到了交互設(shè)備的振動(dòng)感，從而導(dǎo)致不滿足于必要的交互條件。

圖6 三角片數(shù)量5000的速度曲線

5.2 受力分析精準(zhǔn)性對(duì)比

對(duì)力覺交互系統(tǒng)的受力情況進(jìn)行分析，可以增加操作人員的施力準(zhǔn)確性，從而完成精準(zhǔn)的力覺交互，因此對(duì)比不同方法對(duì)力覺交互系統(tǒng)的受力分析精準(zhǔn)性是極其重要的。將所提方法與基于虛擬現(xiàn)實(shí)以及基于位置的交互方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。受力分析精準(zhǔn)性對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 受力分析精確性對(duì)比

分析圖7可知，在實(shí)驗(yàn)次數(shù)不斷增加的情況下，所提方法的受力分析精準(zhǔn)程度時(shí)鐘保持在90%以上，而兩種對(duì)比方法的受力分析精準(zhǔn)性均小于所提方法，兩種對(duì)比方法的最低受力分析精準(zhǔn)性均在60%以下，遠(yuǎn)低于所提方法。

6 結(jié)論

現(xiàn)階段隨著網(wǎng)絡(luò)信息的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的力覺交互方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有力覺交互的基本需求，因此提出支持嵌入式Web服務(wù)器的多層級(jí)力覺交互的方法。在Web服務(wù)器的基礎(chǔ)上提出一種離散LOD速度驅(qū)動(dòng)模型，然后通過對(duì)其模型的計(jì)算，獲取出對(duì)應(yīng)的目標(biāo)多層級(jí)交互序列號(hào)。根據(jù)SCP層級(jí)映射算法，判定映射約束線段、映射約束包圍盒單元，最后針對(duì)該算法，進(jìn)行力覺交互的穩(wěn)定性分析。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法可以有效解決在力覺交互過程中出現(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象，并且具有較高的穩(wěn)定性與適用性。