CN1147302A - 带有计算机接口的物体的三维位移 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一个在三维区域中跟踪一个对象的三维方位的系统，它是通过利用三角测量技术生成与这种三维方位相应的信号而实现的。这种信号可以用来操纵一个可变操作系统，从而产生一个虚实系统。三角测量设备包括至少三个超声波发射器，它们与安放于三维区域中的运动体上的超声波接收器协同工作。信号从多路复用的频率中产生与/或中间信号可以用一个三维加速表来进行投影。

Description

带有计算机接口的物体的三维位移

本发明涉及一个控制系统，它是用来控制与三维运动相应的信号的产生，例如，一个可以生成与某个物体在三维空间的运动相应的声音信号的系统。本发明尤其涉及可变操作仪器的控制，如舞台灯光、幻灯投影仪、视频投影仪，特别是对一个物体的运动进行转换而产生音乐。本发明还涉及可变操作设备的控制，如带有虚实系统的计算机接口。

在授与Will Bauer的美国专利No.5,107,746(1992年4月28日)和美国专利No.5,214,615(1993年5月25日)中描述并公开了这种控制系统。这些专利中所涉及的系统包括通过三维空间中的运动来控制一个音乐合成器的系统及控制其它可变操作设备的系统。

简单来说，那些专利是关于生成一个与方位数据对应的控制信号，该方位数据是从三角测量计算中获得的，而这种计算则是基于超声波脉冲从相互隔离开的固定发射器到一个运动对象所用的时间来进行的。如果有更高的方位采样速度和备用传感器的附加输入，那么，那些专利中的系统就能够进行更精细的控制。本发明者就考虑到了这个问题。

本发明涉及改进的声学方位采样速率和传感器的混合，这样就可以对包括方位和其它信息的附加信息进行处理，从而改进对前述的媒介设备、虚实计算机设备和可变操作设备的控制结构。

依据本发明，可以提供一个控制系统，根据至少一个三维区域运动对象的运动控制可变操作系统进行实时操作，它包括：

至少三个，四个更好，超声波发射器，它们分别安置在惯性参考点上，用来进行所述至少一个对象的三维方位的三角测量定位；

脉冲发生装置，分别向每个超声波发射器提供至少第一和第二预选频率的脉冲来生成相应的超声波脉冲；

每一对象的多个分隔开的接收站，每个接收站包括一个超声波接收器和一个与其相联系的脉冲检测器，来检测超声波接收器所接收的脉冲，每个接收站与所述的对象相关联，并与该对象一起在三维空间中进行运动；

一个编码器，它与每个接收站相关联，将脉冲的到达时间编码为一个适合无线电波发射的格式；

一个无线电波发射器，发射与脉冲到达时间相应的信号；

一个无线电波接收器，在所述的至少一个对象和无线电波发射器的远地端，接收从无线电波发射器传来的编码信号；

一个解码器，对从无线电波接收器来的信号进行解码；

一个对象跟踪微处理器控制器，接收所述的从每个超声波接收器来的数据(每一个超声波接收器与所述的至少一个对象相关联)，根据所述至少一个对象的径向方位数据来计算它的三维方位、速度和加速度，并且一方面对超声波发射器的脉冲发生器发出指令，另一方面与一个计算机相连接，产生对应于已计算出的对象三维方位的指令，并用所述至少一个对象上的每一个接收站的径向方位数据来控制所述可变操作系统的变化。

可变操作系统可以是一个虚实系统、音乐合成器或其它可变操作设备。

依据本发明，还可以提供一个控制系统，根据至少一个三维区域运动对象的运动控制可变操作系统进行实时操作，它包括：

至少三个，四个更好，超声波发射器，它们分别安置在惯性参考点上，用来进行所述至少一个对象的三维方位的三角测量定位；

一个脉冲发生器，向超声波发射器提供脉冲来生成相应的超声波脉冲；

每一对象的多个分隔开的接收站，每个接收站包括一个超声波接收器和一个与其相联系的脉冲检测器，来检测超声波接收器所接收的脉冲。每个接收站与所述的对象联系在一起，并与该对象一起在三维空间中进行运动；

一个接收器跟踪微处理器控制器，接收从每个接收站来的脉冲、将其数字化，测量脉冲的到达时间，控制脉冲发生器发出信号的产生和计时，根据自脉冲发生器发射信号起，到分别从各个接收站检测出相应的脉冲之间所用的时间，计算出对应每一个脉冲，各个接收器的径向方位数据；

一个编码器，与跟踪微处理器控制器联系一起，将脉冲到达时间编码为适于无线电发射的格式；

一个无线电波发射器，发射与脉冲到达时间对应的编码信号；

一个无线电波接收器，在所述的至少一个对象和无线电波发射器的远地端，接收从无线电波发射器传来的编码信号；

一个解码器，对从无线电波接收器来的信号进行解码；

一个三维加速表，测量由每个接收到的脉冲定义的参考点沿每条空间轴线的加速度；

计算装置，用所述的加速度计算临时方位数据；

一个对象跟踪微处理器控制器，接收从每个超声波接收器来的数据(每一个超声波接收器与所述的至少一个对象联系一起)，并接收所述的临时方位数据，根据所述至少一个对象的径向方位数据及临时方位数据来计算它的三维方位、速度和加速度，并且一方面对超声波发射器的脉冲发生器发出指令，另一方面与一个计算机相连接，产生对应于已计算出的对象三维方位的指令，并用所述至少一个对象上的每一个接收站的径向方位数据来控制所述可变操作系统的变化。

现在，通过举例并参照附图的方式，对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1是依据本发明的一个系统的模块示意图；

图2是在实现图1系统的固件中可能使用的一种产生脉冲和计时方法的模块示意图。

图3是在固件中可能使用的一种脉冲检测方法的模块示意图；

图4是本发明另一实施方案的模块示意图；

图5是实现图4系统的固件中可能使用的一种脉冲检测算法的模块示意图。

图1显示了一个数字信号处理(DSP)控制器16，它向扬声器12、13、14和15中的每一个发送信号，从而重复发出一系列声音脉冲，对这些脉冲进行多路复用，以提供一个比使用美国专利No.5,107,746和5,214,615的系统可能产生的采样速率更高的采样速率。

多路复用的声音脉冲可以包含多个不同频率的脉冲，如4个不同频率F1、F2、F3和F4。每个脉冲宽度大约为0.25到4毫秒。每个声音脉冲F1、F2、F3或F4应当具有足够高的频率，要高于可以听到的声音频率。合适的频率范围在17KHz到60KHz之间，并且脉冲系列中的每个脉冲在该范围内相互之间被很好地隔离开来。脉冲可以由任何适当的设备产生，DSP控制器16和数模(D/A)转换器17，后者能够重复产生一系列不同的脉冲。

在美国专利No.5,107,746和5,214,615所描述并公布的系统中，一个单一频率脉冲的采样速率为每秒3到300，并为每秒发送和接收的脉冲数量所限制。在实际情况中，那些以前的系统中，一个单一超声频率的脉冲大约每隔32毫秒(ms)发射一次。于是，方位的更新速度受到限制，每发射一个新的脉冲，才能确定一个新的方位，或者说每秒大约更新32次(每32毫秒更新一次)。当发射并分别检测4个分离频率的脉冲时，采样速率就要乘以4，即采样速率为128Hz(4×32)。所以，每隔8毫秒就有一个脉冲，而如果在同一频率的脉冲下，只能重复每32毫秒一个脉冲。通过使用频率对来产生附加脉冲类型，甚至有可能获得更高的脉冲速率。一个包含频率F1并伴随着晚0.1毫秒的频率F2的脉冲与包含频率F2并伴随着晚0.1毫秒的频率F3的脉冲是不同的。采用频率复用和对几个在时间上交错的频率进行分组来组成每个脉冲这两项技术可以使采样速率变得更高，可能会高达512至1024Hz左右。

在图1中，DSP控制器16既是系统的脉冲发生器，又是检测器。由于近来在DSP集成电路芯片设计方面的进步，现在它有可能在数字领域执行比较复杂的实时信号处理任务，仅仅在几年之前，还需要大量的模拟信号处理单元才能执行这样的任务。这一进展使硬件设计变得相对简单，并使其在信号处理能力方面更为灵活。可以通过固件重新设置数字硬件，来执行各种不同的任务，并根据技术的发展程度很容易地对设计进行修改和扩展。

这就是图1所示系统的方案。包括脉冲发射和检测系统在内的所有硬件单元能够在一块电路板中得到实现，该电路板可以插到个人计算机30数据总线上的插槽中。于是就有可能将几块电路板插到个人计算机总线上并同时跟踪几个不同的指挥器(wand)。另外，如果提供适当的固件算法和DSP时钟速度，单个的个人计算机卡10可以同时独立跟踪几个指挥器25。图1到4只是简单地显示了单个指挥器的情况。

DSP控制器16是一个微处理器，它能够以很高的精确度和稳定性产生期望频率的数字脉冲波形。这些数字波形(DSP微处理器中数字量的序列)接着被一个数模(D/A)转换器17转换为物理模拟波形，该转换器提取数字序列，并产生与数字值对应的电压。如果这一步足够快的话，即以10倍于脉冲频率的速度进行合成，就可以产生一个非常接近于连续模拟波形的结果。这种脉冲频率的数字产生和转换，对一个技术人员来说是很容易做到的。作为实例，可以使用Texas Instruments(德州仪器)生产的芯片TMS320C50作DSP控制器，使用Burr-Brown生产的PCM56P作D/A转换器。

频率复用的脉冲被脉冲放大设备18进行放大并分别送往扬声器12、13、14和15。在DSP控制器16数字化控制下由固态电源开关19选择哪个扬声器接收某一特定脉冲。

图2是脉冲产生和计时可能采用的一个固件算法的模块示意图。个人计算机通过图1中所示的数据总线接口11，将个人计算机触发线路40中的一条设置为高电平，从而触发启动一个脉冲的产生、发射和接收帧。随着触发，脉冲触发解码模块41对触发信号进行翻译，决定将要生成哪一个脉冲频率及送往哪一个扬声器。接着，数字振荡器42以大约10倍于脉冲频率的速度用波形表43、44、45和46生成正确的脉冲幅度值。通过D/A转换器输出模块47以数字形式将这些数值送出DSP控制器16，进入D/A转换器17，在这里它们被转换为模拟电压信号、放大并送入适当的扬声器。数字开关扬声器选择输出线路54控制对扬声器的信号传送。它受DSP控制器固件的控制，为生成的脉冲选择恰当的扬声器。一旦发出脉冲，就通过计时控制模块48对软件计时器49、50、51或52进行初始化，并开始计算经过的时间，直到脉冲被接收(这时在脉冲检测信号53上产生一个触发信号)或计时器达到最大值。如果在脉冲检测信号53上检测到一个脉冲，则由脉冲检测窗口控制模块55决定该脉冲检测是否合法或是否是一个回声或者其它意外的人为信号。可以通过只允许脉冲在某些时间“窗口”中到达来实现，这些时间窗口由个人计算机30确定并通过数据总线接口11(见图1)送往DSP控制器固件。如果脉冲检测落在适当的时间窗口中，则认为有效，并允许前面谈到的计时器停止工作。通过个人计算机卡10所提供的数据总线接口11，将脉冲到达时间传送到个人计算机中。

再回到图1，三维区域中的一个人类执行者可以带有一个麦克风组20，附着在人体上活动范围最大的部位。比如，麦克风组20可以安放在用户的一只手上或其附近。每个麦克风组20可以封装起来，分散放置于人体上。

在其中还可以发现其他传感器23，它们与从麦克风组得到的声学方位测量结果共同作用，增强对媒介、计算机和可变操作系统进行控制的水平和质量。举例来说，这些传感器可以是探测坡度(pitch)、偏航角(yaw)和指挥器(wand)旋转方位的角度传感器，具有与计算机鼠标按钮类似功能的指挥器按钮——它允许对某些姿势的开始和结束进行精确计时和分界，或一个更高速度的方位采样传感器，如完成声学方位测量的三维加速表。其他传感器也可能受无线电波发射器带宽和计算机处理速度的限制。图1中示范的传感器23是一个指挥器状态按钮。但是，必须注意，任何或所有前述的附加传感器都能以任何组合方式用在指挥器中，产生一个混合传感器环境，它会大大增强仅基于声学方位测量的指挥器的能力。

在指挥器封装模块中还可以发现一个频率编码器21、一个频移键控(F.S.K.)振荡器22(根据指挥器状态按钮23的状态，以两个频率中的一个进行振荡)，和一个混频器24。这些集成在一起构成了指挥器25。无线电发射器26可以包括在所示的指挥器中或独立封装并用电线与指挥器连接。此外，麦克风组20可以按照指挥器封装模块中所示的安装或与指挥器25分离并用电缆连接。

从扬声器12、13、14和15中的任何一个传来的超声脉冲将到达指挥器的麦克风组。参照其发射频率，对每个脉冲进行识别。

麦克风组20与频率编码器21相连，后者将频率F1的脉冲转换为适于无线频率调制的形式。根据频率F1的值，这种转换可能简单到只需将脉冲幅度调整到适于传输的程度。或者，转换可能包括将脉冲从其输入频率F1移位到另一个更适合无线通信线路带宽的频率上。一旦在无线通信线路上，引入脉冲的直接传输概念，这种变换就相当简单了。用户可以使用指挥器状态按钮23来标记一个动作的开始和结束。在一个三维跟踪系统环境中，这个按钮与二维计算机鼠标上的按钮的作用相似。F.S.K.(频移键控)振荡器连续发射两个频率中的一个。这些频率(在500到4000Hz之间)通常比用于任何超声脉冲的频率低得多，以便使两个频率之间没有干扰。通过检测发射了哪个F.S.K.(频移键控)频率，DSP控制器16能够确定指挥器状态按钮23是开还是关。由一个混频器24将从F.S.K.(频移键控)振荡器和频率编码器来两个信号混合在一起，然后通过无线电波发射器26将其从指挥器25发送到DSP控制器16。

发送的脉冲到达无线电波接收器34，通过前置放大器33放大并通过模数(A/D)转换器32转换为数字形式。这个数字信号接着被DSP控制器11进行处理，检测超声脉冲是否到达指挥器并计算从扬声器发射起，到接收到超声脉冲的时间。

图3是DSP控制器脉冲检测固件的一种可能的实现方案的模块示意图。参照图1的描述，从指挥器25传来的经过无线电波接收器34、前置放大器33和模数(A/D)转换器32的数字化指挥器信号通过A/D输入接口模块60，并被送到一组并联的数字带通滤波器(BPF)模块61、62、63和64中。它们每一个都有各自特定的中心频率F1、F2、F3或F4，用它们来去掉任何不在滤波器中心频率上的脉冲或噪音。这些滤波器范围相当窄，带宽只有几千赫兹，滤波器可通频带和抑制频带之间的过渡很陡。每个滤波输出被分别送到脉冲检测器模块67、68、69和70，当脉冲到达时，它检测脉冲的存在并产生一个二元表示。脉冲检测器的二元输出被送到脉冲检测逻辑模块73，它用来检测脉冲的合成(如果使用了该种方法)。比如在一个特定“脉冲”包含频率F1的脉冲并伴随着晚0.1毫秒的频率F2的脉冲的情况下，脉冲检测逻辑模块73将对F1和F2脉冲进行必要的计时来保证它们之间的延迟时间实际上是正确的。只有此时，才能产生一个脉冲检测信号75，表示收到一个有效脉冲。

执行指挥器按钮状态检测的方式与脉冲检测相似：输入的指挥器信号经过两个并联带通滤波器(BPF)模块65、66进行滤波，这两个滤波器的中心频率分别对应F.S.K.振荡器的两个频率。每个滤波器的输出分别进入存在检测器模块71、72，后者对两个频率之一的存在产生一个二元表示。指挥器按钮状态检测器74得到二元存在检测输出并根据检测到的指挥器按钮状态产生一个三元指挥器按钮状态信号76。如果检测到“按钮抬起”频率，改变输出来表示按钮实际上抬起了。如果检测到另一个频率(“按钮压下”)，改变输出来表示按钮被压下了。如果两个频率都检测到了(不应发生的情况)，输出保持其原来的状态不变。如果两个信号都没有检测到，设置输出来表示现在不能检测到指挥器，它或者被关闭了，或者在无线频率零点的中间，这时无线发射器暂时不能与接收器连通。这个按钮状态信息与每人脉冲到达时获得的计时信息相加，经过数据总线接口11被发往个人计算机30，以供个人计算机软件使用。

再回到图1，DSP控制器16测量频率F1的脉冲从发射到接收之间经过的时间量。这个时间直接根据每个指挥器到扬声器的距离而变化，于是就测出了这二者之间的距离。对四个扬声器12、13、14和15中的每一个进行这一步，对每个指挥器25产生四个计时测量结果。个人计算机30用这个信息并运用一个适当的时间测量的线性变换来计算与各个扬声器相关的每个指挥器的径向方位。脉冲传送的时间和距离之间的关系由一个线性方程给出：

                 t＝m^*d＋b其中t为传送时间，m为校准因子，d为传送的距离，b为由于传输和脉冲检测的延迟而产生的偏移量。通过在两个或更多的已知距离中从一个扬声器得到的时间测量结果，可以计算出m和b的值，解决了未知的m和b。建立了关系式后，其成立条件设为恒温、恒湿和恒定的空气压力，从而保证只需要一个校准因子。一旦接受了使用高频声波作为一个运动对象的定位工具这个概念，运行控制器16的程序是非常简单的。

DSP控制器16用频率F1的脉冲传输计算出来的方位表示信号到达计算机设备30，后者应为一个属于个人计算机类型的微型计算机。同样，从频率F2、F3和F4的脉冲传输中计算出方位表示信号。如果提供一个足够快的计算机(如IBM AT仿制机48633MHz系统)，就有可能对三维方位进行实时计算，并注意到指挥器状态按钮23的任何状态变化。这可能是因为在每个分别基于频率F1、F2、F3和F4的脉冲的输入测量结果之间有一个时间间隔。在这段时间内，能够对前面的测量结果集合进行处理并更新方位和指挥器按钮状态。

向计算机30提供软件，使用户可以对计算机存储器31的子区域进行映射，其中发生的活动的方式与前面提及的美国专利No.5,214,615相似。另外，还提供软件，允许按时间组织一系列子区域映射。因此，人们能够获得一个对照时间的轨迹，其中不同的映射在不同的时间上起作用，它是以经过的时间和指挥器上的指挥器状态按钮23的状态为基础的。

还向计算机30提供实时处理软件。处理软件可以对活动进行解释，如音乐解释。这种解释需要依靠在三维空间每一轴线上由DSP控制器16测量出的当前距离、速度和加速度的测量结果集合，而这个测量结果集合则是从四个参照位置上的扬声器12、13、14和15发出频率F1、F2、F3和F4的声音脉冲的结果。

因此整个系统成为一个三维跟踪系统，它可以对电子媒介、计算机和其他可变操作系统进行实时控制。

图4所示的实施方案可以被替换或附加到图1、2和3的系统中。在图4的系统中，实际脉冲的采样速率约为32Hz，并使用另一个传感器来填充在连续的基于声学方位测量结果之间的间隙。可以认为，当每个脉冲的采样速率约为32Hz时，对附加传感器可以使用多路复用脉冲。参照采用单一脉冲频率的系统所作的叙述只一种简化。

在一个系统中引入一个三维加速表100，该系统与图1的系统相似，只是在这里由DSP控制器16和D/A转换器17实现的脉冲发生器只产生一个频率的脉冲。在图4中和图1中使用的参考数字代表相同的部分。三维加速表与其他传感器和指挥器的相关设备一起包含在指挥器25的封装中。加速表100必须与为实现前述方位测量方法而使用的麦克风组20保持一个固定的空间关系，从而两个方位测量结果可以合成在一起，成为一个总的方位测量结果。从三条轴线每一条的三维加速表输出模拟电压。这些电压分别输出到模拟调制/滤波器101、102和103，这些模拟调制/滤波器的第一带宽对信号进行限制，然后对其进行频率复用，以便使信号能够在无线电波发射器26上发射，并与声音信号或指挥器按钮状态频率之间没有干扰。典型地，用于加速表测量的最大频率只有几百赫兹，所以，有可能将三个加速表轴线信号复用为更低的1或2KHz，在它们之间留出充足的保护带宽。这时，可以向指挥器按钮状态振荡器分配在2到3Khz范围内的频率，为超声脉冲信号保留足够的带宽。

调制/滤波器101、102和103的输出在送到无线电波发射器26并发往DSP控制器16进行计算之前，先由混频器24将其与其他指挥器信号混合起来。数据的接收与图1所描述的相同：从无线电波接收器34来的信号由前置放大器33放大，然后由A/D转换器32进行数字化并以数字形式进DSP控制器16求值。

图5表现了一种可能的DSP控制器固件实施方案，该DSP控制器处理声音脉冲和指挥器按钮状态的方式与前面提到的图1情况几乎一样，但此处还要处理加速表数据。加速表X、Y和Z数据经解调器模块110、111和112提取出来，解调器模块110、111和112将每个经过调制的信号分别移位回到X、Y和Z轴线数据各自的基带上。接下来，三个300Hz的低通滤波器(LPF)113、114和115去掉由于频率移位在完全解调的X、Y和X轴线加速信号中产生的镜象频率。积分电路模块116、117和118对这些信号进行积分，得出X、Y和Z速度值。这些数值由积分电路模块119、120和121进行积分，生成X、Y和Z轴线方位122、123和124的值。

再回到图4，这三个数值随后经过数据总线接口11送往个人计算机30，与声学测量结果合并在一起。这个任务由个人计算机软件在进行声学数据三维计算的同时执行。

三维加速表沿着定义三维空间的三条空间轴线的每一条测量加速度。这通过用三个沿互相垂直的轴线排列的传感器将加速度转换为一个电子电压来实现。一些加速表可以测量从0到几百或几千赫兹频率范围的加速度。其他的则只能测量从一个较低的非零频率界限开始的加速度。在这里需要使用前者。许多制造商供应这种加速表。举例来说，一种合适的型号是Entran Devices的带有EntranEGA-MTG三维安装模块的EGA 125F-10D加速表。从沿三条空间轴线每一条的瞬时加速度的测量，对加速度值积分算出3D速度，再对速度积分算出3D方位变化，就可以计算出三维空间每一轴线上的方位变化。于是，在与一已知起始点有关的时间段中，从加速表的测量结果，可以计算出3D方位的变化。可以从最近的声学方位脉冲的到达计算出起始点的3D方位。当然，加速表测量结果会存在某些错误，经过一段时间，这些错误累积在一起，加速度预测的3D方位就会与实际情况相去甚远。但是，当接收到每个新的声音脉冲时，一个新的“起始点”就可以提供周期性的修正。所以，生成的每个声学方位就是一个参考“起始点”。从这个新的3D方位点可以测量出基于加速表的路径，直到产生一个新的有效的声学方位，它就成为声学方位测量结果之间的桥梁。

使用三维加速表计算的方位的一个优点关系到，如果声学系统受到阻碍，可能是被用户的身体挡住，不能产生新的方位，此时错过声音脉冲接收的可能性。采用引入加速表的系统，可以在方位精确度仅有很少降低的情况下连续工作，直到能够进行新的声学定位。

上述的三维加速表/声学混合系统将会提高方位采样速率，使其有可能高达几千赫兹。在这种情况下，采样速率将更多地受到计算机计算速度而不是声学现象物理性质的限制。

应当注意，为了简化，所述的加速表处理的是单一脉冲。但是，三维加速表很有可能会用来处理多频率脉冲，如F1、F2、F3和F4。

权利要求书

按照条约第19条的修改

1、一个控制系统，根据至少一个三维区域运动对象的运动控制可变操作系统进行实时操作，它包括：

至少三个超声波发射器(12，13，14，15)，它们分别安置在惯性参考点上，用来进行所述至少一个对象的三维方位的三角测量定位；

脉冲发生装置(16，17)，向超声波发射器提供超声波脉冲；

每个对象的多个分隔开的接收站(20)，每个接收站包括一个超声波接收器和一个与其相联系的脉冲检测器(22，16)，来检测超声波接收器所接收的脉冲，每个接收站与所述的对象相关联，并与该对象一起在三维空间中进行运动；

一个编码器(21)，它与每个接收站相关联，将脉冲的到达时间编码为一个适合无线电波发射的形式；

一个无线电波发射器(26)，发射与脉冲到达时间相应的编码信号；

一个无线电波接收器(34)，位于所述的至少一个对象和无线电波发射器的远地端，接收从无线电波发射器传来的信号；

一个解码器(32)，对从无线电波接收器来的信号进行解码；

一个对象跟踪微处理器控制器(30)，接收每个与所述的至少一个对象相关联的超声波接收器的数据，根据所述至少一个对象的径向方位数据来计算它的三维方位、速度和加速度，并且一方面对超声波发射器的脉冲发生器发出指令，另一方面与一个计算机相连接，产生对应于已计算出的对象三维方位的指令，并用所述至少一个对象上的每一个超声波接收站的径向方位数据来控制所述可变操作系统的变化，其特点为：

脉冲发生装置(16，17)，分别向每个超声波发射器提供至少第一和第二预选频率的脉冲来生成相应的超声波脉冲；

并且在系统中还包含一个接收器跟踪微处理器控制器(11)，接收从每个接收站来的脉冲、将其数字化，测量每个预选频率脉冲的到达时间，控制脉冲发生器(16)发出信号的产生和计时，根据自脉冲发生器(16)发射一个预选频率之一的脉冲起，到分别从各个接收站检测出相应的脉冲之间所用的时间，计算出对应每一个脉冲，各个接收器的径向方位数据；

2、权利要求1中的一个系统，其中使用了4个超声波发射器。

3、权利要求1中的一个系统，其中可变操作系统是一个虚实系统。

4、权利要求1中的一个系统，其中可变操作系统是可变操作设备。

5、权利要求1中的一个系统，其中可变操作系统是一个音乐合成器。

6、权利要求1中的一个系统，其中超声波的频率范围从20KHz到30KHz。

7、权利要求1中的一个系统，其中至少一个对象是可以附着在人的身体部位上的。

8、权利要求7中的一个系统，其中出现了不只一个超声波接收器，在每个对象中包含有一组所述的接收器。

9、一个在三维区域跟踪一个对象的系统包括：

至少三个超声波发射器(12，13，14，15)，它们分别安置在各自的惯性参考点上，用来进行所述对象的三维方位的三角测量定位；

脉冲发生装置(16，17)，向超声波发射器提供脉冲来生成相应的超声波脉冲；

至少一个超声波接收器(20)与所述对象结合在一起，在三维区域中运动；

一个脉冲检测器(22，16)与每个超声波接收器结合起来，检测通过的脉冲；

一个脉冲编码器(21)，把从接收器跟踪微处理器来的脉冲到达时间编码为适于无线传输的形式；

一个无线电波发射器(26)，与编码器和一个在所述对象远地端的无线电波接收器相联系，无线电波发射器用来向无线电波接收器发送与检测到的脉冲对应的数据；

一个无线电波接收器(34)，在至少一个对象和无线电波发射器的远地端，接收无线电波发射器发出的编码信号；

一个脉冲解码器(32)，与无线电波接收器相关联，将传输来的脉冲解码为适合微处理器检测的形式；

计算机装置(30)，与微处理器控制器接口，接收所述方位指示信号，计算对象的三维方位、速度和加速度。

其特点在于：

脉冲发生装置(16，17)，分别向各个超声波发射器提供至少第一和第二预选频率的脉冲来生成相应的超声波脉冲；

并且在系统中还包含一个接收器跟踪微处理器控制器(11)，接收从每个接收站来的脉冲、将其数字化，测量每个预选频率脉冲的到达时间，控制脉冲发生器(16)发出信号的产生和计时，根据自脉冲发生器(16)发射一个预选频率之一的脉冲起，到分别从各个接收站检测出相应的脉冲之间所用的时间，计算出对应每一个脉冲，各个接收器的径向方位数据；

10、一个控制系统，根据至少一个三维区域运动对象的运动控制一个在运动对象远地端的可变操作系统进行实时操作，它包括：

至少三个超声波发射器(12，13，14，15)，它们分别安置在惯性参考点上，用来进行所述至少一个对象的三维方位的三角测量定位；

一个脉冲发生器(16，17)，向超声波发射器提供脉冲，以生成相应的超声波脉冲；

每个对象的多个分隔开的接收站(20)，每个接收站包括一个超声波接收器和一个与其相联系的脉冲检测器(22，16)，来检测超声波接收器所接收的脉冲，每个接收站与所述的对象相关联，并与该对象一起在三维空间中进行运动；

一个编码器(21)，它与跟踪微处理器控制器连相关联，将脉冲的到达时间编码为一个适合无线电波发射的形式；

一个无线电波发射器(26)，发射与脉冲到达时间相应的编码信号；

一个无线电波接收器(34)，在所述的至少一个对象和无线电波发射器的远地端，接收从无线电波发射器传来的编码信号；

一个解码器(32)，对从无线电波接收器来的信号进行解码；

一个对象跟踪微处理器控制器，接收每个与所述的至少一个对象相关联的超声波接收器的数据，并接收方位数据，根据所述至少一个对象的径向方位数据及方位数据来计算它的三维方位、速度和加速度，并且一方面对超声波发射器的脉冲发生器发出指令，另一方面与一个计算机相连接，产生对应于已计算出的对象三维方位的指令，并用所述至少一个对象上的每一个超声波接收站的径向方位数据来控制所述可变操作系统的变化。

其特征在于，本系统还包含：

一个三维加速表(100)，测量由每个接收到的脉冲所定义的参考点沿每条空间轴线的加速度；

斜度传感器23，探测坡度、偏航角和指挥器旋转方位；

计算装置，用所述的加速度计算临时方位数据；

对象跟踪微处理器接收临时方位数据。

11、权利要求10所述的系统，其中使用了四个超声波发射器。

12、权利要求10所述的系统，其中可变操作系统是一个虚实系统。

13、权利要求10所述的系统，其中可变操作系统是可变操作设备。

14、权利要求10所述的系统，其中可变操作系统是一个音乐合成器。

15、权利要求10所述的系统，其中超声波频率的范围是20KHz到30KHz。

16、权利要求10所述的系统，其中至少一个对象可以附着在人体的一个部位上。

17、权利要求16所述的系统，其中出现了不止一个超声波接收器，在每个对象中含有一组所述的接收器。

Claims (17)

1、一个控制系统，根据至少一个三维区域运动对象的运动控制可变操作系统进行实时操作，它包括：

至少三个超声波发射器，它们分别安置在惯性参考点上，用来进行所述至少一个对象的三维方位的三角测量定位；

脉冲发生装置，分别向各个超声波发射器提供至少第一和第二预选频率的脉冲来生成相应的超声波脉冲；

每个对象的多个分隔开的接收站，每个接收站包括一个超声波接收器和一个与其相联系的脉冲检测器，来检测超声波接收器所接收的脉冲，每个接收站与所述的对象联系在一起，并与该对象一起在三维空间中进行运动；

一个与每个接收站相关的编码器，将脉冲的到达时间编码为一个适合无线电波发射的形式；

一个无线电波发射器，发射与脉冲到达时间相应的编码信号；

一个接收器跟踪微处理器控制器，接收从每个接收站来的脉冲、将其数字化，测量脉冲的到达时间，控制来自脉冲发生器信号的产生和计时，根据自脉冲发生器发射一个预选频率之一的脉冲起，到分别从各个接收站检测出相应的脉冲之间所用的时间，计算出对应每一个脉冲，各个接收器的径向方位数据；

一个无线电波接收器，在所述的至少一个对象和无线电波发射器的远地端，接收从无线电波发射器传来的信号；

一个解码器，对从无线电波接收器来的信号进行解码；

一个对象跟踪微处理器控制器，接收每个与所述至少一个对象联系在一起的超声波接收器的数据，根据所述至少一个对象的径向方位数据来计算它的三维方位、速度和加速度，并且一方面对超声波发射器的脉冲发生器发出指令，另一方面与一个计算机相连接，产生对应于已计算出的对象三维方位的指令，并用所述至少一个对象上的每一个超声接收站的径向方位数据来控制所述可变操作系统的变化。

2、权利要求1中的一个系统，其中使用了4个超声波发射器。

3、权利要求1中的一个系统，其中可变操作系统是一个虚实系统。

4、权利要求1中的一个系统，其中可变操作系统是可变操作设备。

5、权利要求1中的一个系统，其中可变操作系统是一个音乐合成器。

6、权利要求1中的一个系统，其中超声波的频率范围从20KHz到30KHz。

7、权利要求1中的一个系统，其中至少一个对象是可以附着在人的身体部位上的。

8、权利要求7中的一个系统，其中出现了不只一个超声波接收器，在每个对象中包含有一组所述的接收器。

9、一个在三维区域跟踪一个对象的系统包括：

至少三个超声波发射器，它们分别安置在各自的惯性参考点上，用来进行所述对象的三维方位的三角测量定位；

脉冲发生装置，分别向各个超声波发射器提供至少第一和第二预选频率的脉冲来生成相应的超声波脉冲；

至少一个超声波接收器与所述对象结合在一起，在三维区域中运动；

一个脉冲检测器与每个超声波接收器结合起来，检测通过的脉冲；

一个脉冲编码器，把从接收器跟踪微处理器来的脉冲到达时间编码为适于无线传输的形式；

一个无线电波发射器，与编码器和一个在所述对象远地端的无线电波接收器相联系，无线电波发射器用来向无线电波接收器发送与检测到的脉冲对应的数据；

一个无线电波接收器，在至少一个对象和无线电波发射器的远地端，接收无线电波发射器发出的编码信号；

一个脉冲解码器，与无线电波接收器相关，将传输来的脉冲解码为适合微处理器检测的形式；

一个微处理器控制器，用来检测经过解码器的传输来的脉冲并向超声波发射器发送信号以引发超声波的发射；测量各个超声波发射器发出的超声波脉冲从发射到被检测出来之间所经过的时间；由每个发射器脉冲所经过的时间计算对象的径向方位数据；生成方位指示信号；

计算机设备，与微处理器控制器接口，接收所述方位指示信号，计算对象的三维方位、速度和加速度。

10、一个控制系统，根据至少一个三维区域运动对象的运动控制可变操作系统进行实时操作，它包括：

至少三个超声波发射器，它们分别安置在惯性参考点上，用来进行所述至少一个对象的三维方位的三角测量定位；

一个脉冲发生器，向超声波发射器提供脉冲，以生成相应的超声波脉冲；

每个对象的多个分隔开的接收站，每个接收站包括一个超声波接收器和一个与其相联系的脉冲检测器，来检测超声波接收器所接收的脉冲，每个接收站与所述的对象相关联，并与该对象一起在三维空间中进行运动；

一个与跟踪微处理器控制器相关联的编码器，将脉冲的到达时间编码为一个适合无线电波发射的形式；

一个无线电波发射器，发射与脉冲到达时间相应的编码信号；

一个无线电波接收器，在所述的至少一个对象和无线电波发射器的远地端，接收从无线电波发射器传来的编码信号；

一个解码器，对从无线电波接收器来的信号进行解码；

一个三维加速表，测量由每个接收到的脉冲定义的参考点沿每条空间轴线的加速度；

计算装置，用所述的加速度计算临时方位数据；

一个对象跟踪微处理器控制器，接收每个与所述的至少一个对象相关联的超声波接收器的数据，并接收所述的临时方位数据，根据所述至少一个对象的径向方位数据及临时方位数据来计算它的三维方位、速度和加速度，并且一方面对超声波发射器的脉冲发生器发出指令，另一方面与一个计算机相连接，产生对应于已计算出的对象三维方位的指令，并用所述至少一个对象上的每一个超声波接收站的径向方位数据来控制所述可变操作系统的变化。

11、权利要求10所述的系统，其中使用了四个超声波发射器。

12、权利要求10所述的系统，其中可变操作系统是一个虚实系统。

13、权利要求10所述的系统，其中可变操作系统是可变操作设备。

14、权利要求10所述的系统，其中可变操作系统是一个音乐合成器。

15、权利要求10所述的系统，其中超声波频率的范围是20KHz到30KHz。

16、权利要求10所述的系统，其中至少一个对象可以附着在人体的一个部位上。

17、权利要求16所述的系统，其中出现了不止一个超声波接收器，在每个对象中含有一组所述的接收器。

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