[发明专利]一种基于惯性和光学跟踪系统的混合位姿跟踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能传感与人机交互领域，尤其涉及一种基于惯性和光学跟踪系统的混合位姿跟踪方法。

背景技术

由于惯性跟踪系统根据陀螺仪的角速度、加速度计的加速度以及磁传感器的磁强度计算目标的姿态角，具有刷新频率较高以及测量延迟较低的优点且跟踪时不依赖于外部标志点。将光学与惯性跟踪系统进行融合能够获得实时性更好、精度更高的跟踪结果，在出现遮挡问题时可以在较短时间继续进行位置和姿态跟踪。

国内外研究者对惯性-光学混合跟踪方法进行了广泛研究。Young等人于2006年提出了混合式跟踪系统，其中包含了一个由6台摄像机构成的Vicon光学跟踪系统和一个固定在目标上的装配了反光标志点的惯性跟踪模块(Inertial Measurement Unit,IMU)，在保持光学跟踪系统的高精度的同时将刷新频率提高到100Hz(参见Young M C,Young S S,Sang K.Pose estimation from landmark-based vision and inertial sensors.In:Proceedings of the 2006International Joint Conference on SICE-ICASE.Bexco,Busan,Korea:IEEE,2006,1668-1671.)。N.Parnian于2008年提出了用于跟踪笔状目标的混合跟踪系统，安装了IMU的目标的尖部可以被四个依弧线排列的摄像机所识别，混合跟踪系统提高了光学跟踪系统的刷新频率和位置跟踪精度(参见Maidi M,Ababsa F,Mallem M.Vision-inertial tracking system for robust fiducials registration in augmented reality.In:Proceedings of the 2009IEEE Symposium on Computational Intelligence for Multimedia Signal and Vision Processing.Nashville,TN,USA:IEEE,2009.83-90)。Maidi于2009年提出了一个由两个摄像机和三个标志物组成的光学跟踪系统(刷新率为55Hz)以及一个跟标志物绑定的惯性跟踪模块(刷新率为500Hz)组成的混合跟踪系统，实验结果表明该系统可以实现在短时间光学遮挡条件下的姿态跟踪(参见Waechter C,Huber M,Keitler P,Schlegel M,Pustka D,Klinker G.A multi-sensor platform for wide-area tracking.In:Proceedings of the 9th IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality.Seoul,Korea:IEEE,2010.275-276.)。上述各方法通过融合惯性和光学跟踪方法有效提高了跟踪系统的刷新率并实现了在出现遮挡时进行短时间继续跟踪，但是在跟踪目标位置时会产生随时间累计的漂移误差且其自身会产生偏置误差、线性加速度误差等，上述方法并不能够实现在长时间遮挡情况下的准确跟踪。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于惯性和光学跟踪系统的混合位姿跟踪方法，可以解决在标志点被部分遮挡时对目标的准确位置和姿态跟踪，同时利用光学跟踪结果修正惯性传感器数据，消除了偏置误差。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

本发明的一种基于惯性和光学跟踪系统的混合位姿跟踪方法，包括：

1)、在光学跟踪系统中的标志物上的标志点未被遮挡时，利用光学跟踪系统捕获当前时刻目标的位置和姿态信息，作为位姿跟踪的结果；

2)、在所述标志物上的部分标志点被遮挡，光学跟踪系统只能获得标志点的位置信息但无法获得目标的姿态信息时，执行如下步骤：

S21、当前时刻，采用光学跟踪系统得到所述标志点的三维空间坐标X_n、Y_n和Z_n；

S22、采用加速度计、磁传感器和陀螺仪组成的惯性跟踪系统获得所述标志物当前时刻的角速度、加速度和磁场的测量值，进而采用卡尔曼滤波器得到表征标志物姿态信息的俯仰角、横滚角和航向角，以及当前时刻标志物的姿态旋转矩阵R_n；