跑步机在虚拟环境中的反馈控制外文翻译资料

跑步机在虚拟环境中的反馈控制

LEE LICHTENSTEIN, JAMES BARABAS, RUSSELL L. WOODS, ELI PELI

The Schepens Eye Research Institute, Harvard Medical School

虚拟环境(大)允许安全、可重复、评估和控制的避障和导航的性能，而且视觉障碍患者可以使用视觉教具。适当的流动的模拟需要一个接口,它允许对象设置他们的步行速度。使用传统的跑步机,通过用脚踩和利用扶手或绳索(自航模式)可以改变他们的步行速度。基于用户的位置，我们开发了一个回馈控制运动界面,允许VE工作站控制跑步机的速度。还用位置和速度信息实现自动化的安全措施,这样可以停止跑步机的古怪行为。

我们比较了回馈控制模式的自航模式，利用运动物体速度匹配任务(或匹配一个独立移动场景的速度)来衡量每个模式的功效保持恒定的主题地位,并且控制跑步机的主题,脉冲率。此外,我们测量了每个模式速度的感应。

自行回馈控制模式比自行驱动的需要更少的体力消耗。反馈控制跑步机主题的平均位置总是在一厘米的所需的位置。当使用自航模式比使用回馈控制模式时有一个较小的标准差在主体位置,但是所有受试者行走速度常数差异平均少于6厘米。尽管所有科目低估一个独立移动场景的速度在更高的速度,他们的估计比自行回馈控制跑步机更准确。

分类和主题描述符:I.3.7(计算机图形学):三维图形和现实主义——虚拟现实;I.3.4(计算机图形学):图形工具-虚拟设备接口;H.5.2[信息接口]:用户界面-评估/方法;

一般因素:人为因素，测量实验；

关键词;低视力，运动速度匹配，跑步机；

1. 引言

我们评估其性能通过低视力流动艾滋病光学或光电设备,为视觉缺陷(近视眼)人们提供视觉援助在散步的时候。此设备帮助用户浏览和识别潜在的障碍。视力损害的老年人,经常或有其他健康问题,这使得测试低视力流动艾滋病在现实世界中困难和潜在的危险。虚拟环境(大)有很大的潜力，测试床低视力艾滋病通过提供一个安全的控制环境是可重复的,因此便于比较在条件和观察员和设备之间。这也是优秀的平台测试空间导航找到方式)和检测和避免碰撞。

在许多研究中,受试者坐着或站着不动时已经开始“走”。走的主题可能改善(存在的感觉主观经验的VE),可能会使任务性能更类似于真实的世界。运动中已经可以通过在跑步机上行走,通常看一个固定屏幕,或自由行走在一个开放的房间,查看一个头戴显示设备。自由行走有许多优点,但很少有研究人员获得一个足够大的开放空间和昂贵的设备。标准的跑步机不允许控制速度或方向的变化,可能需要在研究空间导航和避碰。在大多数跑步机研究中,主题是走在电动跑步机速度或实验者设定的速度。另一种允许对象不同行走速度是使用跑步机没有一个活跃的马达。这样的自行式跑步机模式要求受试者在使用扶手或绳索把踏板提供武力反对散步。虽然这可能是可接受的对年轻,身体健康,年龄或主题可能有困难的努力推动跑步机所需的时间研究会话。因此,数据质量可能降低由于疲劳或可获得的数据量可能会受到限制。

主体位置在跑步机上不能轻易与指定固定的速度或自行式跑步机的方法混淆。某些研究显示的视角应该是恒定在一个会话和科目。保持一个稳定的跑步机上位置是现有技术需要仔细的手工测量和物理限制的话题(如利用绳索)。运动界面,试图模拟自然行走已报告之前,他们昂贵的实物实现(通常因为他们不体现功能所需的实验,如快速崎岖的地形模拟倾斜,接合皮带)的支持,都不稳定,没有主题培训,或没有实际上模拟行走。Hollerbach等人报道treadmill-based运动接口,使用机械范围中心用户,因为他们更大的跑步机上走或跑(305厘米长183厘米宽)。除了中心用户,机械范围应用惯性力使自然感觉在加速和减速。Minetti等人报告回馈控制运动界面(Treadmill-On-Demand),最初是用于测量行走和奔跑的速度,而不是VE。用户在跑步机上的位置是一个速度的函数,因此控制器不同用户的距离显示。缓慢的420毫秒的响应时间,系统可能不足以反应安全如果一个降落。

利用传统的锻炼跑步机和容易获得的部分,我们构建了一个回馈控制跑步机运动界面,改变速度，跑步机运动保持位置传感器在一个小区域,响应时间小于60毫秒，这个简单的使用允许使用对象在跑步机运动界面上改变他们的行走速度,行走没有比自然走更费力，,并自动重新定位接口。比较自行式跑步机模式,也允许用户动态地调整自己的速度和相对廉价的实现。

1. 方法

2.1、设备

Woodway不溶跑步机(http://www.woodway.com),这个类似于体育馆常见的跑步机。这个跑步机是修改,允许计算机控制跑步机速度(见下文)。自动运动也是可能的。

自动行走,受试者被他们身后的绳子描定,这样他们可以把跑步机皮带保持从一边前进。作为第二安全措施,受试者被绑在到前面铁架,这样他们不能滑倒在跑步机的后面，如果他们停止在跑步机上行走带继续推进的斜坡跑步机。戴着安全带,连接到天花板,保护以防跌倒。操作符能触发紧急制动时的回馈控制部分实验(这是没有必要的)。

我们已经建成了一个埃文斯和萨瑟兰simFUSION 4000q工作站(http://www.es.com)和斯图尔特Filmscreen公司(http://www.stewartfilm.com)合作，且投影屏幕使用爱普生(http://www.epson.com)60赫兹投影仪，平均亮度为57 cd / m2。显示分辨率是1280 * 960像素和主题可以看到屏幕的边缘。屏幕测量172 * 127厘米,它提供水平垂直度领域时,主题是67厘米从屏幕上(受试者的平均头部位置做实验部分)在84厘米,头部位置(平均回馈控制部分)。头部位置变化时更艰苦的自行行走,因为受测者向前倾斜支撑对紧后方范围。

一群飞鸟磁跟踪器(http://www.ascension-tech.com)有两个位置传感器用60赫兹来监测主体的身体和头部位置。测量头的传感器被用来计算虚拟摄像机位置(角度)，来呈现更准确的观点支持视觉线索的场景像迫在眉睫。第二个传感器放置在主体的臀部,回馈控制使用在跑步机的接口。臀部的位置更好的反映了用户的重心,减少转动或摆动的影响。正确的空间磁固有的错误位置追踪器,失真校正应用于传感器的读。速度命令以60赫兹被送到了跑步机。跑步机的速度记录使用DataQ di - 151rs模拟到数字转换器(http://www.dataq.com/)，实现回馈控制跑步机接口的硬件和软件,变化在下面描述。

2.1.1、硬件

跑步机接口控制器(TIC)被开发在跑步机的一个接口控制器板和VE工作站。TIC电压适用于模拟跑步机的马达驱动板从工作站的串行端口输入速度信息。抽搐的硬件是一个专用电路采用Atmel AT90S85微处理器(http://www.atmel.com)和MAX201CPD rs - 232收发器(http://www.maxim-ic.com)。

因为我们不需要整个可能的跑步机速度范围,TIC仅限于范围为-0.45 v(0.675英里每小时(0.3m / s)相反) 4.55 v(6.825英里每小时(3.1 m / s)转发)的参考电压(0.45 v),使用八位脉冲宽度中间电压调制。软件还将进一步限速4英里(见下文),不允许跑步机后倒。如果软件不能发送速度信号,TIC将跑步机速度定为常数。

Woodway可与计算机控制的串行接口结合,但只能接受最大的速度为每秒8的命令。绕过这个接口与我们的跑步机做出每秒回应的命令。Woodway电机驱动板可以加快跑步机从0到4英里(1.79 m / s)的速度。软件安全措施实施确保戏剧性的加速度命令是不会发送到跑步机。

2.1.2、软件

理想的跑步机的速度发送到rs - 232串口的跳跃成一个无符号字节,大量的值从0254(255是保留作为紧急刹车的逃脱命令),转换为脉宽调制电压发送到跑步机。

反馈控制器本身是一个proportional-integral-derivative控制器(PID)已经实现的应用软件(图1)。VE应用程序计算之间的区别是传感器位置和目的位置(x0)(图2)。所需的速度是一个函数的当前时间积分x的导数。

图1 - Proportional-integral-derivative(PID)反馈回路的跑步机。随着学科向前发展，跑步机臀部的距离跟踪器从x0增加。跑步机软件计算的反馈期望的速度最小化。计算使用本身变化的最后一帧总累计。注意误差可以是负的,所以误差可以成为积分零。积分项的范围仅限于防止不稳定。抑制区确保没有突然启动或停止通过减少方法x0误差的效果。由此产生的跑步机速度使主题将回到x0,这将导致减少误差。这个速度就改变了电压速度命令跳动。符号和1 / s代表的导数和积分,分别计算在Eq.1。

图2 -回馈控制跑步机设置。跑步机的速度调整在x0保持臀部追踪。距离x0,称为反馈控制器使用跑步机的速度。除了自动化安全控制的跑步机,受试者戴安全带,侧扶手用来保护自己免受下降。现场,他们正在查看rear-projected在屏幕前主题。前后绳索(图中未显示)是用来提供锚定的自航条件。

每个xerror阅读的时间t(xerror(t)),反馈控制器和三项计算所需的速度时间t英寸/秒:

sum;xerror(t)是xerror的总和(t)，读到目前为止，Kp,Ki,和Kd是没有单位的比例系数,积分,和衍生品方面,分别推导出通过仿真和在线测试。积分或求和最终将接近x0主题。持续增长,时间越长,前面的主题是x0,跑步机的速度增加缓慢返回x0。用户频繁变化的速度远离x0将花更多的时间。更大的K值，p和Kd会导致控制器返回用户x0很快,但没有经验的用户发现结果,突然的移动是不舒服。要实现这一点,反馈控制器被配置为允许过度,即。它最初允许用户超越x0期间的变化速度。

因为主题是允许超出预期的跑步机位置加速,x0必须提供选择足够的物理空间的过度。必须有足够的安全裕度，在减速的跑步机皮带停止没有掉跑步机的后面。

软件设计不允许反向运动。因此,突然停止的话题将导致他们x0背后来休息。预期,会纠正他们

位置且继续走。

此外,抑制区前添加了PID控制器的一部分,以防止突然停止或开始在非常小震级xerror,这是特别重要的,如果一个主题摇曳向前或向后而静止。请注意,在我们的实现中抑制区,xerror减少的值,而不是在真正的死区设置为0。还原是一个函数的实际x错误。当xerror是零,抑制区域的输出是零,没有减少当xerror大于10厘米的大小。中间值的xerror乘以一个光滑、单调曲线,范围从1到0。

在向跑步机发送速度命令之前，反馈控制软件有几个安全检查:

1. 指定的用户必须在一个三维的安全区,表明用户不会离开跑步机。背后的安全地带设置更严格的主题。
2. 如果主题的臀部位置下降低于44厘米从飞机上的跑步机,软件触发紧急刹车,假设臀部安装传感器,有或没有用户,有所下降。
3. 如果臀部位置移动速度比5.1英里每小时(2.3 m / s)超过300毫秒,软件将触发紧急制动，防止跌倒,跌倒。

4、 软件设置防止跑步超过指定的最大速度,目前4.0英里每小时(1.79米/秒)。

5、 由于后者速度限制,如果主题是保持最大的跑步机速度、反馈控制器无法降低正误差项,由于跑步机不能再快了。的积分误差将继续无限制的上升。当这种情况发生时,跑步机可能呆在最大

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