基于复合帕尔贴的虚拟环境热触觉显示装置及其应用研究

摘要

虚拟现实技术的目的是给人类提供身临其境的逼真感和沉浸感，这要求对人类的五感（听觉、视觉、味觉、嗅觉和触觉）都能进行很好的复现。触觉主要包括力触觉、纹理触觉和热触觉。以往对于热触觉信息的研究较少，但随着虚拟现实技术的不断发展，人们越来越重视对热触觉信息的挖掘与应用。
　　目前，热触觉显示技术已经发展到能够在虚拟环境下和遥控操作机器人系统中对对象进行识别。本文着重于热触觉显示的这些应用领域，使用复合式帕尔贴作为原先单层帕尔贴系统的改进，建立二阶温度模型，利用状态空间方程和观测器，来精准复现人机接触时产生的热交互的过程。为了分析热触觉显示技术，首先给出热触觉的有关概述以及热信息处理的机理。其次给出影响热传递的各个因素，建立手指与各种物体接触时热传递的模型，并给出升降温控制和抗干扰控制的算法。然后使用复合帕尔贴热触觉复现装置来模拟各种不同材质的物体，复现手指与其接触时的温度变化。最后结合皮肤的生理特性，做了一系列温度触觉感知实验，为热触觉信息的应用打下基础。
　　本装置以TI公司的双核芯片OMAP-L138为主控制器，该芯片由ARM9-AM1808和DSP-C6748构成，主频为456MHz。其中ARM上运行Linux操作系统，负责非实时性的任务;DSP上运行SYS/BIOS操作系统，负责实时性的任务。双核之间通过DSPLINK进行相互通信。控制方法包括传统的PI控制，基于状态观测器的GPI控制以及双边GPI控制。比之单层帕尔贴系统，复合帕尔贴系统具有更好的升降温速率和抗干扰性，能更好的复现热触觉。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外的研究动态

1．3 本文的研究方案

1．4 本文的主要工作

1．5 本文章节安排

第二章 温度复现模型与仿真

2．1 热触觉知识

2．1．1 冷、热传入单位

2．1．2 热阀值

2．1．3 空间总和

2．1．4 空间视敏度

2．1．5 时间因素

2．2 温度复现模型

2．3 不同材料下的温度触觉仿真

2．4 一阶系统模型建立

2．5 二阶系统模型建立

2．6 本章小结

第三章 复合帕尔贴热触觉复现装置硬件设计

3．1 装置整体概述

3．2 装置各模块详述

3．2．1 微控制器

3．2．2 稳压电路

3．2．3 温度传感电路

3．2．4 帕尔贴

3．2．5 制冷制热切换装置

3．3 本章小结

第四章 复合帕尔贴热触觉复现装置软件设计

4．1 ARM端程序

4．1．1 安装VMware7．0

4．1．2 安装Linux操作系统

4．1．3 建立交叉编译环境

4．1．4 Linux内核编译方法

4．1．5 tftp开发环境搭建

4．2 DSP端程序

4．2．1 DSP集成开发环境CCS

4．2．2 SYS／BIOS

4．3 双核通信DSPLINK

4．3．1 GPP端

4．3．2 DSP端

4．3．3 DSPLINK关键组件

4．3．4 DSPLINK运行

4．4 单层帕尔贴温度控制算法的设计与实现

4．4．1 PI控制算法

4．4．2 GPI控制算法

4．4．3 方法比较

4．5 复合帕尔贴再现装置的温度控制实验

4．5．1 最大升降温实验

4．5．2 二阶GPI实验

4．6 温度控制算法的移植

4．7 本章小结

第五章 温度触觉感知实验

5．1 常见波形温度信号发生实验

5．2 不同热属性物质温度波形复现

5．3 热图标识别实验

5．4 两个热刺激感知实验

5．5 热刺激定位实验

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

作者简介