mems虚拟现实
第20卷 第10期计 算 机 仿 真2003年10月 文章编号:1006-9348(2003)10-0005-03
虚拟现实技术在微机电系统中的应用
洪永强,王一菊
(厦门大学机电工程系,福建厦门361005)
摘要:该文根据虚拟现实技术的内涵、主要特征和相关技术,按照微机电系统的特点和发展目标,研究微机电系统对虚拟现
实技术的需求及其应用,研究虚拟现实技术与微机电系统的交叉融合及互动发展,提出将虚拟现实技术应用于微机电系统
的研究、设计、教学、培训;提出将微机电系统应用于虚拟现实系统中。
关键词:虚拟现实技术;微机电系统;应用
中图分类号:TP391.9 文献标识码:A
1 引言
虚拟现实技术(virtual reality technology,VRT)和微机电系统(micro electro-mechanical systems,M E MS)都是综合性学科和新技术增长点。将此两项技术结合,对VRT和ME MS的发展都有着重要的意义。在MEMS中引入VRT,利用VRT的沉浸感、想象性、实时性和交互性可以为ME MS的研究、设计、制造、控制、仿真、教学、培训等提供有力的支持;将MEMS的微传感器、微作动器、微测控系统等应用于V R T中的头盔显示器、数据手套、头—眼跟踪、手—姿态跟踪、本体反馈等器件,又能使ME MS在VRT中发挥重要作用。因此,ME MS和VRT的交叉应用是一个值得研究的问题。
2 虚拟现实技术(VRT)
虚拟现实是采用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境,置身于该环境中的人可以通过各种传感交互设备与这一虚构的现实进行相互作用,达到彼此交替更迭,融为一体的程度。虚拟现实技术使人融合到虚拟世界中去,更逼真地观察所研究的对象,更自然、更真实地与它交互。
虚拟现实技术涉及到计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术、计算机跟踪技术、人工智能技术及仿真技术等领域,是这些技术更高层次的集成和渗透。
虚拟现实技术的关键技术是动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具和系统集成技术等。
虚拟现实系统把复杂抽象的计算机数据空间表示为直观的、参与者熟悉的事物,其实质在于提供人与计算机的高级接口[1]。它有四个主要特征:
多感知性:理想的VR系统应该具有一切人所具有的感知功能;
沉浸感:使人暂时与外界环境脱离而融合到特定的虚拟环境中去;
交互性:参与者可对虚拟环境中的物体进行操作并可从虚拟环境中得到实时自然的反馈;
自主性:虚拟环境中的物体可以按照现实世界物体的模型和规律自主运动。
虚拟现实系统的最大特点是要用户具有沉浸感、交互感以及能产生联想,构造一个虚拟现实系统必须考虑人们对虚拟环境的感知,即视觉感知、听觉感知、记忆及认
知等。
虚拟现实系统可分为三大类:桌面VR系统、沉浸式VR 系统和分布式VR系统。虚拟现实系统的组成如图1所示。
图1 虚拟现实系统的组成
由于虚拟现实技术能给人提供“真实”的体验,在许多领域都有应用潜力,因而越来越多的人被吸引到该领域中来。虚拟现实技术目前已在科学可视化、航空航天、军事、医学、遥感与遥控、CAD/CAM、教学、娱乐等领域获得广泛的应用。而且随着它的不断发展,必将展示出更加广阔的应用前景。
3 微机电系统(MEMS)
微机电系统是指采用微机械加工技术和微电子技术相结合的工艺技术,可以批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路等于一体的微型器件或微型系统。
微机电系统开辟了一个新的技术领域,微机电系统的研究不仅涉及元件和系统的设计、材料、测试、控制、集成、能源以及与外界的联接等许多方面,还涉及微电子学、微机械学、微动力学、微流体学、微热力学、微摩擦学、微光学、材料学、物理学、化学、生物学、信息与控制等多个学科领域,是综合性高新技术。微机电系统将微电子、精密机械、生化和信息
收稿日期:2002-07-05
处理等高新技术有机整合,利用半导体加工方法来制作微尺度的机械、流体、电子、光学、及其它一些器件,在单一或多个芯片上集成传感、信号处理、控制及驱动于一体。微机电系统中的机械不限于狭义的机械力学中的机械,包括力、热、声、光、磁乃至化学、生物等具有能量转化、传输等功能的效应[2]。
微机电系统的特点是:1)微型化:MEMS器件体积小、重量轻、功耗低、性能稳定、谐振频率高,响应时间短;2)以硅为主要材料:硅的机械电器性能优良,强度、硬度和扬氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨。3)可批量生产:用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS器件,成本低、性能一致性好;4)集成化:综合集成度高,可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的ME MS器件。5)多学科交叉:微机电系统涉及电子、机械、材料制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。
微机电系统发展的目标是通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统,不断地提高集成系统的性能及性价比,把信息获取、处理和执行一体化地集成在一起,使之成为真正的系统。ME MS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务,也可嵌入大尺寸系统中,把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的层次。
微机电系统自上个世纪80年代末期发展至今,一直受到世界各发达国家的广泛重视,被认为是一项21世纪可以广泛应用的新兴技术。目前MEMS已从实验室探索走向产业化轨道,潜在市场很大,应用领域很广。我国从80年代末开始研究MEMS,目前已形成了几个研究方向:微型惯性器件和惯性测量组合;机械量微型传感器和致动器;微流量器件和系统;生物传感器、生物芯片和微操作系统;微型机器人;硅和非硅制造工艺。
4 VRT在MEMS基础研究中的应用
目前在微机电系统实验思想和分析实验的方法方面基本上是宏观的,由于微物体所具有的结构、材料物理性能、受力状况及与环境介质等的特殊性,一些效应如表面张力、粘附、摩擦等在细小条件下与宏观条件下不完全一样,传统的机械设计中力学分析计算方法已不能完全适用于微系统设计,因此,按照宏观现象的理论分析和推导,未必能符合微观物体的内部本质,这些问题在微机电系统设计中必须加以考虑。
当尺寸缩小到一定范围时,许多物理现象将与宏观世界有很大差别,一些常规理论将作修正。目前,ME MS的研究主要还是依赖经验和反复试探,完整的微观尺度下的理论体系尚未建全,这已经严重地阻碍了ME MS技术的进一步发展。因此,微观尺度下的基础性理论研究显得尤为重要。ME MS 的基础研究包括微观领域中的力学和热力学、磨擦学、流体力学、微机械特性、微尺度效应和表面效应。
微机理的深入研究,微型器件模型的建立、ME MS CAD 的开发已成为MEMS研究的重点。引入VR技术会大大促进ME MS的研究。第一,可以为M E MS的理论研究,如机构学、运动学、动力学,提供一个虚拟实验环境,为MEMS理论研究和实验研究架起桥梁。第二,可以再现ME MS研究的整个实验过程,在此过程中,操作者可以获得微机械的任意点,任意角度的立体感受,同时,可以交互地改变进程的进行,以得到最感兴趣的信息。第三,VR技术可以将M E MS设计、制作的虚拟环境与模拟进行的虚拟环境融合起来,以获得MEMS在实际环境中运行的体验。
5 VRT在MEMS设计中的应用
虚拟设计及制造技术经过对产品的外形设计、布局设计、加工及装配过程仿真,在此基础上再制造出真实产品。在产品设计或制造实现之前,通过模拟物体的几何特性及动态行为,就能使人感到未来产品的性能或制造过程状态,因而可提前做出决策及优化实施方案。采用虚拟现实技术可进一步降低产品开发的成本和风险。
ME MS器件的设计需要综合多学科理论分析,这大大增加了设计参数选择的难度。基于虚拟现实技术的微机械设计是切实可行的方法。采用V R T和CAD能设计出具有低成本、高性能、更为复杂的新型微系统;2D和3D计算机绘图技术能够对复杂的MEMS结构进行计算机设计;有限元分析技术可以用精确的计算机数值求解方法来分析和预测器件的性能。通过对器件工作的静态和动态进行模拟,能够实现对ME MS器件的结构和工艺进行计算机模拟和设计优化。
运用VRT和C AD,使得ME MS的设计高速化、自动化和可视化,有利于加工工艺的参数化控制,缩短设计、制作周期,提高制作过程的可重复性,提高ME MS器件的性能价格比。
6 VRT在MEMS教学、培训中的应用
应用虚拟现实技术可以进行微机电系统的功能、结构、工作原理的教学和培训,使MEMS工作原理的教学生动有趣,更加安全、方便,缩短培训周期,降低培训费用。因为ME MS体积小,难以进行直观的教学和培训,应用虚拟现实技术,MEMS的计算机造型可以由虚拟现实来表现,假定可以提供适当的逼真度,用户可以在与真实环境一样的虚拟环境中操作虚拟现实中的MEMS对象。
应用虚拟现实技术还可以进行微机电系统的加工、装配、封装、测试等的教学和培训,微机电系统的加工工艺主要是微机械加工、装配、封装、测试等一系列工程技术。
ME MS利用半导体加工方法来制作微尺度的机械、流体、
电子、光学及其它一些器件。微机械加工技术是制作微传感器、微执行器和ME MS的关键技术。微装配主要是指微尺度(通常在几微米到几百微米之间)的零部件进行的装配作业。在微尺度下,重力不再起主导作用,当物体表面尺寸小于某临界值后,与物体表面积相关的粘附力将大于重力,而且物体的力特性还与物体密度、湿度、表面粗糙度和部件外形密切相关,这就给微装配带来了很大的不确定性。ME MS的封装和测试占有重要的地位,为了确保产品的高性能、高可靠性和低成本,必须不断提高测试和封装的技术水平。
根据上述ME MS在加工、装配、封装、测试时的具体特性,采用虚拟现实技术进行MEMS的加工、装配、封装、测试等的培训,应用虚拟现实技术的沉浸感、实时性和交互性,测量和估计预测目标的运动和状态,显示现场信息,控制机构的运动,除了简单地描绘真实世界之外,支配虚拟现实的规则可以改变,以允许用户在不同的环境中体验和学习。
虚拟现实是虚的,它是计算机生成的环境,用它来研究、设计ME MS简单、速度快、费用低;它又是现实的,即它可以融入客观世界的物理规律,所以在此环境中装配、检测、运行都是符合实际规律的,因而是可信的。
7 MEMS在VR系统中的应用
虚拟现实系统主要包括虚拟现实产生器、声音合成器、3D声音定域器、语音识别器、头眼手跟踪装置、触觉动感系统和头盔显示器等。沉浸式虚拟现实系统通过头盔式的三维立体显示器、数据手套及立体声耳机等使人能完全沉浸在计算机创造的图形世界里。
ME MS在VR系统中的信息检测、处理、显示等方面大有作为,利用MEMS技术对虚拟现实系统的传感器、头盔显示器和某些机电部件进行微型化,有利于缩小各种传感器、执行机构和专用部件的重量和体积,提高VR系统的功能密度。使VR系统达到小型、低价、低功耗、高性能。
在VR技术中需要研究和检测人手的位置、动作、形态和运动过程。由于手的灵活性、可伸展性和复杂性,一只手上有21个活动部位,很难在手上安装常规的传感器,因为常规的传感器不仅对人手的活动产生影响,而且检测信号难以满足要求。采用柔软的能够贴附于人手表面的微传感器、微机电机构,将ME MS应用于数据手套是一种很好的解决办法。为了增强虚拟环境中身临其境的感觉,必须给参与者提供一些诸如触觉反馈等的生理反映。当人们感觉到物体的表面纹理时,同时也感觉到了运动阻力。将ME MS应用于虚拟现实系统中的触觉/动感反馈将是一个新的研究方向。
用于VR系统的理想的头盔显示器,重量应当很轻,佩带舒适,易于戴上和取下。在研制这种头盔显示器时必须考虑人的生理和心理上的限制,包括视场、分辨力、双眼重叠、头部尺寸、重量和系统潜在的因素等。人的视觉系统对于左右两眼图像的调准误差是十分敏感的,这就要求不论显示源和光学器件如何组装,都必须消除调准误差。应尽量减少头盔显示器的重量,以避免用户颈部受力疲劳,甚至引起恶心、眼睛变形、失去判断力等现象出现。据有关试验测试提出,可接受的头盔显示器的最大重量是12盎司。在头盔显示器中,应用ME MS的微传感器、微型机构、微测控系统和可用作显示器的数字驱动微镜阵列芯片(Digital Micro Mirror Device),不仅使头盔显示器的非电子系统重量和体积大大减小,而且有利于消除左右两眼图像的调准误差,可使其功能、性能、可靠性大幅度上升,功耗和价格大幅度下降,使整个系统达到微型化的目标。
ME MS的微传感器、微机电机构、微测控系统,对于改善VR技术中的头—眼跟踪、手—姿态跟踪、本体反馈等器件的结构、体积和重量等方面都将发挥重要的作用。
8 结束语
虚拟现实技术是计算机科学和信息科学的交叉融合,是21世纪信息科学领域最有发展前途的技术。研究VRT和ME MS的结合点、研究VRT和ME MS的交叉应用,必将推动ME MS和VRT的发展,收到珠联璧合之效。虚拟现实技术和微机电系统交叉应用,实现了两项高技术的结合,开辟了在微机电系统中应用虚拟现实技术的新途径。VRT和ME MS 的交叉应用将随着它们各自技术上的发展成熟而逐渐深入。
参考文献:
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[3] 马旭东.虚拟现实技术及其应用[J].国外科技动态,2001,(5):3
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[4] 王红兵.虚拟现实技术—回顾与展望[J].计算机工程与应用,
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[5] 熊春山,王敏,彭刚,黄心汉.虚拟现实系统头盔与数据手套的
三维精确定向与定位系统与设计[J].仪表技术与传感器,2000,
(4):35-38.
[作者简介]
洪永强(1959.4-),男(汉族),福建省南安市人,硕
士学位,副教授,教研室主任,研究方向:机电控制,
工业自动化;
王一菊(197610-),女(汉族),江苏省睢宁市人,硕
士学位,助教。
Application of Virtual Reality Technology in Micro Electro Mechanical System
(下转第20页)
义、军语表达、文书模板等进行定义,抽出相应的军事规则;
③建立军标(组合军标)、军标语义、军语表达模式、文书模板之间对应关系或相互关系的军事规则。
4.3.2 各资源库的控制与管理
文图互生转换的实现,有赖于各资源库的支持,对资源库的管理与控制是该功能实现的关键。主要功能包括:军事知识、规则的存入管理,知识的删除、修改、补充、更新等,以及学习功能;知识的调出管理,包括知识查询、检索、调用,以及关系查询和联想检索等;知识库的维护管理,包括知识的矛盾性、冗余性与完整性检查等。
4.3.3 搜索匹配方法
由图到文的转换时,以军标存贮库中军标信息列表为索引,搜索对应军标语义,再按照相应的作战类型与样式中搜索对应的军语表达模式,最后填入文书模板的相应位置。由文到图转换,是该模块的难点。通常可按照可标绘内容列表中关键词(任务、行动),与相应作战样式的军语表达模式相匹配,搜索对应语义的军标,最后将军标显示在电子地图上。文图的转换,重点是对可标绘内容进行搜索,包括部队番号、任务、行动(状态)、位置点(坐标)等要素的搜索,这样才能确定军标、队号、注记、位置点,才能标绘到电子地图上。通常对整个决心方案文来讲,其整篇中可标绘内容是有限的。可运用人工智能技术与方法来实现对文本中可标绘内容的搜索。对每种作战样式来说,一种文对应一种军语表达模式库,部队的任务和行动将对应相应的军标,地名和坐标决定图上位置,这就找到了它们之间的对应关系。实现的途径是可通过建立搜索匹配的规则,采取模式匹配或推理网的方式来实现。
此外,为了实现OMMAMT,需要有相关数据库的支持。如,地理信息库、战役编成库等。就OMMAMT而言,需要地理信息库支持的内容有:地貌(山、湖泊);道路名称;地名(不同级别);对应地名、位置经纬度坐标等。需要战役编成库支持的内容:部队番号;部队代字;装备类型、数量;兵力数量等。
参考文献:
[1] 王厚卿,张兴业.战役学[M].国防大学出版社,2000.
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[3] 吴泉源,刘江宁.人工智能与专家系统[M].国防科技大学出版
社,1995.
[4] 胡桐清.人工智能与军事运用教程[M].军事科学出版社,1998.
[作者简介]
秦晓周(1964-),男(汉族),陕西人,副教授,博士,
主要研究方向:作战模拟;军事决策、军事建模;
杨天梁(1963-),男(汉族),陕西人,高工,博士后,
主要研究方向:人工智能;系统仿真;
刘增良(1957-),男(汉族),河北人,博导,教授,主要研究方向:指挥自动化、信息对抗。
Design And Realization of Graph-Text Mutual Generation
and Transformation
QIN Xiao-zhou1,YANG Tian-liang2,LIU Zeng-lianng1
(1.National Defence University of P.L.A,Beijing100091,China;2.Qing Hua Univers ity,Beijing100084,China) ABSTRACT:This essay gives an idea and method of graph-text mutual generation and trans formation in military decision-making.Graph-text mutual generation and transformation refers to a process that in military decision-making,the battle plan map is transformed into the plan text,or some part of the plan text,which can be marked on the map,is transformed into battle plan map.This essay gives the des ign idea of graph-text mutual generation and transformation,as well as the way and method to realize it.
KEY WORDS:Battle plan map;Battle plan text;Mutual generation and trans formation;Design and realization
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HONG Yong-qiang,WANG Yi-ju
(Department of Mechanic-electrical Engineering,Xiamen University,Xiamen Fujian361005,China)
ABSTRACT:This paper prop oses the application of the virtual reality(VR)technology in the research,design,teaching and training of the micro electro-mechanical s ystems(MEMS)after the research of MEMS's requirement for VR technology and its application prospect accordin g to the characteristics and technical req uirements of MEMS and the intension,main characteristics and relevant technologies of VR.It studies the interaction and inter-develop ment of VR technology and MEMS,and puts forward the application of M E MS in VR.
KEY WORDS:VR;ME MS;application;