[摘 要]基于无线局域网的超声波定位系统是实景数字游戏的重要组成部分。本文在模型坦克对战系统的基础上,设计出一套室内超声波定位系统,实现对模型坦克的实时跟踪定位。经试验表明,超声波定位精确度可达分米级,完全达到实景数字游戏对精度的要求,同时该定位系统的设计也可以应用于其他领域中的测距、定位及环境监测等,具有广泛的应用价值。
[关键词]数字实景游戏 无线局域网 超声波定位
[中图分类号]TN925[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)11-0050-02
Research And Realization Of the Ultrasonic Positioning System in Real Environment Digital Games
Su guang-rui1 Zhou Long2 Zhao Jing-feng2
(School of software Engineering, Tianjin University, Tianjin 30072,China)
(School of Electronic Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 30072,China)
[Abstract]The ultrasonic positioning system based on wireless LAN is an important part of real enviroment digital games. In this paper,we design a set of the ultrasonic positioning system based on model tank battel system,and realize the real-time tracking of model tanks. It is showed that the ultrasound positioning ultrasonic positioning system can meet the requirements of accuracy, and this ultrasonic positioning system also can be applied to other areas ,such as positioning and environmental monitoring,has a wide range of applications.
[Keywords]Real environment didital game; Wireless LAN; Ultrasonic positioning
所谓实景数字实景游戏,是指在真实的环境中,通过整合计算机、电子、通信、网络、自动控制、人机智能交互技术与软件设计等共同构建一个实景游戏环境,而游戏参与者利用运营商提供的遥控终端、特殊电子装备、服装以及电子化道具等设备,完成各种基于真实环境的真人任务,在真实中体验角色扮演游戏和互动游戏的魅力[1]。实景数字游戏吸取了电脑网络游戏和模型遥控游戏的优点,并将二者有效的融合在一起,实现了“网络游戏实景化,遥控游戏网络化”。为实现实景游戏,我们首先需要构建一个无线局域网[2],作为本系统的核心网络,完成数据的传递和处理等功能。
1 数字实景游戏中超声波定位系统的意义
(1)超声波定位系统是数字实景游戏系统的一项核心技术,后续设计将依赖此定位系统。
(2)通过超声波定位系统可以实时确定坦克所处位置,有助于对每一辆模型坦克运行状态进行更好的监控。
(3)超声波定位的设计增强了游戏的真实感和娱乐性。
2 超声波定位原理
超声波是一种谐振频率超过20kHz的机械波,可在不同介质中以不同的速度传播网[3]。由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量。超声波测距是一种非接触式的检测方式,适用于空气中测距;同时超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠,利用超声波测距比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面也能达到一定的要求。因此本项目中使用超声波对坦克模型进行实时定位监测。
超声波测距方法有多种,本系统采用的是渡越时间检测法[4]。其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波,经气体介质传播到接收器的时间(渡越时间为t),渡越时间与气体中的声速(v)相乘,就是声波传输的距离(S)。公式为:
(1)
在空气中,超声波的传输速度受空气的温度、湿度、压强等因素的影响,其中温度的影响最大。因此,计算距离时需要进行温度补偿[5]。在已知环境温度T(单位:℃)的情况下,超声波速度计算公式为:
(2)
将公式(2)代入公式(1)得:
(3)
由公式(3)计算出的距离(S)可以精确到cm级[6]。利用超声波测量出的距离可以精确计算出目标在空间中的相对位置,实现定位功能。
如图1所示,它是一个在无线局域网环境中建立的超声波定位系统。超声波发射器安装在坦克中,它的发射受无线局域网模块信号控制。在服务器服务器端,通过对坦克不断变化的坐标值进行处理与变换与用户界面融合,形成实时准确反映坦克运行状态的画面,实现了多莫型坦克的实时跟踪定位。
在空间中特定位置上设立3个接收点S1(x1,y1,z1)、S2(x2,y2,z2)、S3(x3,y3,z3),分别在目标点和接收点上安装超声波发射和接收装置,利用超声波测距原理分别测量出目标点到每个接收点的距离l1、l2、l3,假设模型坦克的坐标为(x,y,z),那么下述方程组会成立
(4)
我们称公式(4)为定位方程组。
实际的参考点选取时,由于选取的参考点的Z坐标都相同,即z1 = z2 = z3,所以方程(4)可简化为[7]:
(5)
对方程组进行变型可得:
(6)
其中,,,,
,,
最终通过Gauss消去法求出方程组的解[8]。我们利用微软公司的VS2005开发平台,使用C#语言进行编程[8],计算出目标在该直角坐标系中的坐标值(x,y,z)。目标位置在不断变化,引起l1、l2、l3值也在不断变化,导致坐标值(x,y,z)也在不断更新,从而实现了对目标的定位跟踪。同时我们利用C#,利用套接字编程[9],实现整个系统的功能。
3 超声波定位系统的误差分析
本课题中超声波定位系统的误差主要来自两方面:(1)超声波测距误差。(2)定位算法。
其中超声波测距误差我们通过优化硬件和引进温度补偿等进行了改进。对于定位算法,我们通过分析线性方程组的性态和控制其条件数来进行定位算法的设计,并以此作为选取参考点位置的原则。
由于矩阵与参考点分布相关,而该矩阵又会对定位方程组产生影响,因此其可以指导参考点选取方法,我们称该矩阵为布点相关矩阵[10]。我们对条件数做一个限制,控制其大小在50以内。经试验证明,这样可以保证由超声波测距值引起的扰动被定位算法的放大倍数不超过50,定位算法相对可靠。
在对超声波定位系统进行理论上的基础上,我们通过硬件电路的设计和软件编程,实现了对各个模型坦克的实时精确定位。
4 总结与展望
在充分分析超声波测距原理和误差产生因素的基础上,设计出一套符合坦克对战系统的定位方案,并取得了良好的效果,实现了对多个模型坦克的实时定位。同时该定位系统对其它类似场合也有较大的应用价值。
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[10] 曾绍标,熊洪允,毛云英,应用数学基础:第二编工程与科学计算,天津:天津大学出版社,1993.7～10.
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
