摘要：頭部跟蹤系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分之一，它的任務是檢測頭部的姿態(tài)與方位。設(shè)計一種基于兩軸磁阻效應傳感器和三軸MEMS加速度傳感器的微型虛擬現(xiàn)實頭部跟蹤系統(tǒng)，首先闡述了系統(tǒng)的基本原理及整體構(gòu)成，其次給出了硬件設(shè)計以及頭部方位、姿態(tài)求解的算法；最后，給出了系統(tǒng)的運行效果。結(jié)果表明，該頭部跟蹤系統(tǒng)可實際應用于頭部緩慢轉(zhuǎn)動場合．同時具有體積小、功耗低、性價比高的優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：磁阻效應傳感器；加速度傳感器；虛擬現(xiàn)實；頭部跟蹤系統(tǒng)

0 引言
虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)，亦稱靈境技術(shù)，是一門由應用驅(qū)動的涉及眾多學科的新型實用技術(shù)，常集計算機技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、傳真技術(shù)、微電子技術(shù)等于一體，通過創(chuàng)建一個三維視覺、聽覺和觸覺的環(huán)境，使用戶利用人機對話工具，同虛擬環(huán)境的物體進行交互操作，使用戶仿佛置身于現(xiàn)實環(huán)境之中，達到境界虛擬，感覺真實的效果。在現(xiàn)實世界中，有些環(huán)境人們難于身臨其境或者實現(xiàn)條件過高、費用過大，而虛擬現(xiàn)實卻能超越時間與空問、現(xiàn)實與抽象，將各種無法接觸的環(huán)境再現(xiàn)于人們的面前，為人類發(fā)展提供了一個新的途徑。目前，虛擬現(xiàn)實已應用于軍事、教育、醫(yī)學、產(chǎn)品設(shè)計、科學可視化、訓練、建筑、娛樂、藝術(shù)等各個方面。
實時交互性是虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵特征。為了實現(xiàn)人與計算機之間的交互，需要使用專門設(shè)計的輸入／輸出設(shè)備把用戶的命令輸入給計算機，同時把模擬過程中的反饋信息提供給用戶。這些設(shè)備包括大視角的立體顯示器、頭部跟蹤系統(tǒng)、三維聲音系統(tǒng)、觸覺反饋系統(tǒng)和力反饋系統(tǒng)等。其中跟蹤系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實人機交互的關(guān)鍵設(shè)備。如果沒有跟蹤系統(tǒng)，計算機就不能改變空間視圖，以配合用戶頭部的姿態(tài)變化，沉浸感也就蕩然無存。目前虛擬現(xiàn)實跟蹤系統(tǒng)主要有機械跟蹤系統(tǒng)、光學跟蹤系統(tǒng)、超聲波跟蹤系統(tǒng)、電磁場跟蹤系統(tǒng)等。但較完善的產(chǎn)品價格都很昂貴，對環(huán)境的要求比較嚴格，而且結(jié)構(gòu)比較復雜。利用磁阻效應傳感器和MEMS加速度傳感器開發(fā)的虛擬現(xiàn)實跟蹤系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高，而且性價比高，適用面廣。

1 系統(tǒng)基本原理及整體構(gòu)成
本系統(tǒng)主要由MSP430F149微控制器、兩軸磁阻效應傳感器HMCl022、三軸MEMS加速度傳感器MMA7455、藍牙模塊BC04組成。系統(tǒng)運行時，微控制器以lOO Hz的頻率采集磁阻效應傳感器和加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并計算出用戶頭部的三維姿態(tài)信息，將其通過藍牙發(fā)送到計算機，計算機根據(jù)用戶頭部的三維姿態(tài)信息展示相應的視景，使用戶所看到視景跟隨頭部的運動而變化，產(chǎn)生真實的沉浸感。系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1所示。