移动目标的多触觉导航系统设计

摘要

在导盲、飞行驾驶、消防救灾、战场等领域，人的视觉和听觉通道处于满负荷或者受损状态，操作者可能难以通过视觉或听觉来获取导航信息。触觉是除视觉和听觉之外人类最重要的感知外界信息的通道。因此在上述领域利用触觉表达导航信息显得尤为重要。为了解决目前单一触觉刺激容易造成感知模糊和表达信息量受限的问题，本文结合移动目标的导航信息的特点，拟对移动目标的多触觉导航系统进行研究。
　　首先，本文介绍了国内外现有的触觉表达技术在导航方面的应用，研究了人体触觉感知机理和触觉编码方法，针对移动目标的导航信息的特点，提出了一种基于振动觉和温度觉的多触觉编码方法，在此基础上设计了移动目标的多触觉导航系统方案。本文多触觉导航系统针对移动目标的导航信息的多触觉表达应用，它包括多触觉表达装置、触觉训练软件和导航环境。多触觉表达装置可穿戴于用户的腰部、手臂和大腿等部位，用户利用触觉训练软件熟悉多触觉编码，而后利用导航环境进行有效性验证。
　　其次，本文完成了系统的软硬件设计。多触觉表达装置以Cortex-M3处理器作为控制核心，利用NRF24L01无线模块获取虚拟环境或触觉训练软什生成的移动目标的导航信息，利用JN5139无线模块获取实际环境中移动目标的导航信息，并采用LSM303DLH电子罗盘获取人体朝向信息，多触觉表达装置通过解码导航信息，进而驱动半导体制冷器和振动电机阵列产生温度觉和振动觉刺激，让用户通过多触觉刺激感知移动目标的导航信息。设计了基于MFC的触觉训练软件和导航环境—基于OpenGL的虚拟环境。触觉训练软件的操作简单，用于触觉感知训练及触觉编码效果的评估;虚拟环境的界面友好，实现了自然场景渲染、人机交互、三维建模、路径控制及导航信息生成与发送等功能。
　　最后，本文基于系统进行了人量触觉实验，包括触觉器件的性能测试实验、触觉感知实验、触觉训练实验、基于虚拟环境和实际环境的触觉导航实验。实验结果表明移动目标的多触觉导航系统的导航信息的识别正确率达到了88.8％，导航跟踪的正确率为100％，验证了移动日标的多触觉导航系统的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容及章节安排

1．3．1 本文的研究内容

1．3．2 本文的章节安排

第二章 移动目标的多触觉导航系统概述

2．1 触觉感知机理研究

2．1．1 皮肤结构

2．1．2 感知机理

2．2 触觉编码方法研究

2．2．1 振动觉编码

2．2．2 温度觉编码

2．2．3 多资源理论

2．2．4 多触觉编码

2．3 移动目标的多触觉导航系统总体设计

2．3．1 系统方案设计

2．3．2 功能及需求分析

2．3．3 穿戴化设计

2．3．4 多触觉编码设计

2．4 本章小结

第三章 多触觉导航系统的硬件设计与实现

3．1 多触觉导航系统硬件概述

3．2 导航信息获取模块

3．2．1 JN5139无线模块

3．2．2 NRF24L01无线模块

3．2．3 蓝牙模块

3．2．4 电子罗盘模块

3．3 核心处理模块

3．4 温度觉显示模块

3．4．1 珀尔贴效应

3．4．2 温度觉驱动电路

3．4．3 温度传感电路

3．5 振动觉显示模块

3．6 穿戴式触觉设备

3．7 本章小结

第四章 多触觉导航系统的软件设计与实现

4．1 驱动程序设计

4．1．1 驱动设计流程

4．1．2 RT-Thread移植

4．1．3 导航信息采集程序设计

4．1．4 导航信息解码程序设计

4．1．5 蓝牙程序设计

4．1．6 线程同步设计

4．2 触觉训练软件设计

4．2．1 总体介绍

4．2．2 设计流程

4．3 虚拟环境设计

4．3．1 OpenGL概述

4．3．2 虚拟环境概述

4．3．3 自然场景渲染

4．3．4 人机交互

4．3．5 三维建模

4．3．6 路径控制

4．3．7 导航信息生成与发送

4．3．8 虚拟环境渲染图

4．4 本章小结

第五章 触觉实验设计与分析

5．1 触觉器件的性能测试实验

5．1．1 振动电机测试实验

5．1．2 珀尔贴测试实验

5．2 触觉感知实验

5．2．1 基本振动实验

5．2．2 变化振动实验

5．2．3 协同振动实验

5．2．4 温度觉阈值实验

5．3 触觉训练实验

5．3．1 安全属性训练实验

5．3．2 目标类型训练实验

5．3．3 方位及运动趋势训练实验

5．3．4 综合导航信息训练实验

5．4 基于虚拟环境的触觉导航实验

5．5 基于实际环境的触觉导航实验

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

硕士期间研究成果