[发明专利]运动跟踪系统

说明书

本发明涉及运动跟踪领域。

可以使用各种测量方式进行运动跟踪，其中包括惯性和声学测量方式，用于确定物体的位置和方向。

惯性运动跟踪基于测量围绕一组基本上正交的轴线的线加速度和角速度。在一种方法中，多个和被跟踪物体相连的旋转的回转仪响应被跟踪物体的旋转而产生和其转轴的转速成正比的力。这些力被测量并用于估算物体的角速度。可以使用基于微加工的振动元件和光波导的装置代替回转仪。

加速计产生和由线加速度产生的力成正比的信号。在惯性跟踪系统中，角速度和加速度信号被综合用于确定线速度、线位移和转动的总的角度。

由于由回转装置产生的信号含有噪声，所以综合处理导致噪声成分的积累，这一般被称为“漂移”。小型的和成本低的回转装置一般具有较大的误差。对于一个静止的物体，漂移速率可以高达每秒几度，对于转动的物体，每转90度可发生几度的漂移。方向估算中的误差也影响位置估算，因为估算的物体的方向在进行综合之前被用于把加速度的度量转换为固定的参考框架。在这种转换中的不精确性可以引起导致水平加速度测量偏差的重力。

用于校正漂移的一种方法是附加的检测器，例如倾角计和指南针，用于间歇地或连续地校正综合的惯性测量的漂移。例如，1997年7月8日公开的Eric M.Foxlin的美国专利5645077中披露了一种这样的方法。该专利在此列为参考。

用于运动跟踪的另一种方法使用声波测量在物体上的一个或几个点和在环境中的固定的参考点之间的距离。在一种被称为“outside-in”的结构中，一组在物体的固定点上的声发射器发射被在环境中的固定参考点的一组麦克风接收的脉冲。从发射器到麦克风经过的时间和发射器与麦克风之间的距离的估算值(即距离)成正比。从发射器到接收麦克风的范围估算值被用于通过三角测量法确定发射器的位置。在物体上的多个发射器的位置被组合，用于估计物体的方向。

其它的测量方法，例如对物体上的光源的光学跟踪的方法也可以用于跟踪物体的运动。

一般地说，在一个方面中，本发明是一种用于跟踪物体的运动的方法，其包括以下步骤：获得和物体的运动相关的两种类型的测量，其中一种类型的测量包括声学测量，根据两种测量中的一种测量例如根据惯性测量更新物体的方向或位置的估算，并且根据两种测量中的另一种测量例如根据声学测距更新所述估算。

在另一个方面，一般地说，本发明是一种用于跟踪物体运动的方法，包括以下步骤：选择一组参考装置中的一个装置，向所选择的参考装置发送控制信号，例如借助于发送无线控制信号，接收来自参考装置的距离测量信号，接收关于对选择的参考装置的距离的测量，并使用所接收的距离测量更新物体的位置估算和方向估算。所述的方法还可以包括根据距离测量信号的行程的时间确定距离测量。

本发明的优点包括提供一种6个自由度的跟踪能力，其可以在基本上不受限制的空间内应用，在所述空间内安装有可以扩展的超声波信标星座。惯性测量方法提供运动的平滑的和响应的检测，而超声波测量方法提供实时的误差校正，例如由系统的惯性跟踪元件的漂移引起的误差的校正。可以使用通常具有相当大的漂移的小的和廉价的惯性检测器，此时仍然可以提供具有有限的漂移的整个系统。体积小和重量轻的惯性检测器非常适用于虚拟的或增强真实性的显示系统的头戴式跟踪装置。通过使用超声波测量校正漂移，可以不需要可能对外部因素例如磁场的改变等敏感的漂移校正测量。超声波信标的星座在每个信标独立地工作因而不需要在信标当中布线时可以容易地被扩展。在任何时刻，跟踪装置只依赖于使用少量的超声波信标，借以允许跟踪装置工作的空间具有不规则的区域，例如在大楼中的多个房间。

本发明的另一个优点在于，通过使用“inside-out”结构，使得在声学距离测量中没有在声波发出之后由于物体的运动而引起的等待时间。

本发明的另一个优点在于，通过使用惯性测量，即使在例如由于信标的闭塞而不能进行声学测量时，也能继续进行跟踪。此时一旦惯性跟踪的漂移被校正，可以再继续进行声学测量。

在另一个优点中，本发明提供非全方位(Line-of-sight)冗余度，借以可以阻断在发送器和检测器之间的一个或几个路径，同时仍然能够进行物体的跟踪。

本发明的其它特点和优点从下面的说明和权利要求中可以清楚地看出。

图1表示跟踪装置和用于跟踪所述装置的声学信标的星座；

图2表示跟踪装置处理器的元件；

图3表示组合的惯性和声学跟踪方法；

图4表示惯性测量单元(IMU)；

图5表示超声距离测量单元(URM)和超声信标；