專利名稱：運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運(yùn)動(dòng)跟蹤領(lǐng)域。
可以使用各種測(cè)量方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)跟蹤，其中包括慣性和聲學(xué)測(cè)量方式，用于確定物體的位置和方向。
慣性運(yùn)動(dòng)跟蹤基于測(cè)量圍繞一組基本上正交的軸線的線加速度和角速度。在一種方法中，多個(gè)和被跟蹤物體相連的旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)儀響應(yīng)被跟蹤物體的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生和其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速成正比的力。這些力被測(cè)量并用于估算物體的角速度?？梢允褂没谖⒓庸さ恼駝?dòng)元件和光波導(dǎo)的裝置代替回轉(zhuǎn)儀。
加速計(jì)產(chǎn)生和由線加速度產(chǎn)生的力成正比的信號(hào)。在慣性跟蹤系統(tǒng)中，角速度和加速度信號(hào)被綜合用于確定線速度、線位移和轉(zhuǎn)動(dòng)的總的角度。
由于由回轉(zhuǎn)裝置產(chǎn)生的信號(hào)含有噪聲，所以綜合處理導(dǎo)致噪聲成分的積累，這一般被稱為“漂移”。小型的和成本低的回轉(zhuǎn)裝置一般具有較大的誤差。對(duì)于一個(gè)靜止的物體，漂移速率可以高達(dá)每秒幾度，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，每轉(zhuǎn)90度可發(fā)生幾度的漂移。方向估算中的誤差也影響位置估算，因?yàn)楣浪愕奈矬w的方向在進(jìn)行綜合之前被用于把加速度的度量轉(zhuǎn)換為固定的參考框架。在這種轉(zhuǎn)換中的不精確性可以引起導(dǎo)致水平加速度測(cè)量偏差的重力。
用于校正漂移的一種方法是附加的檢測(cè)器，例如傾角計(jì)和指南針，用于間歇地或連續(xù)地校正綜合的慣性測(cè)量的漂移。例如，1997年7月8日公開的Eric M.Foxlin的美國專利5645077中披露了一種這樣的方法。該專利在此列為參考。
用于運(yùn)動(dòng)跟蹤的另一種方法使用聲波測(cè)量在物體上的一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)和在環(huán)境中的固定的參考點(diǎn)之間的距離。在一種被稱為“outside-in”的結(jié)構(gòu)中，一組在物體的固定點(diǎn)上的聲發(fā)射器發(fā)射被在環(huán)境中的固定參考點(diǎn)的一組麥克風(fēng)接收的脈沖。從發(fā)射器到麥克風(fēng)經(jīng)過的時(shí)間和發(fā)射器與麥克風(fēng)之間的距離的估算值(即距離)成正比。從發(fā)射器到接收麥克風(fēng)的范圍估算值被用于通過三角測(cè)量法確定發(fā)射器的位置。在物體上的多個(gè)發(fā)射器的位置被組合，用于估計(jì)物體的方向。
其它的測(cè)量方法，例如對(duì)物體上的光源的光學(xué)跟蹤的方法也可以用于跟蹤物體的運(yùn)動(dòng)。
一般地說，在一個(gè)方面中，本發(fā)明是一種用于跟蹤物體的運(yùn)動(dòng)的方法，其包括以下步驟獲得和物體的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的兩種類型的測(cè)量，其中一種類型的測(cè)量包括聲學(xué)測(cè)量，根據(jù)兩種測(cè)量中的一種測(cè)量例如根據(jù)慣性測(cè)量更新物體的方向或位置的估算，并且根據(jù)兩種測(cè)量中的另一種測(cè)量例如根據(jù)聲學(xué)測(cè)距更新所述估算。
在另一個(gè)方面，一般地說，本發(fā)明是一種用于跟蹤物體運(yùn)動(dòng)的方法，包括以下步驟選擇一組參考裝置中的一個(gè)裝置，向所選擇的參考裝置發(fā)送控制信號(hào)，例如借助于發(fā)送無線控制信號(hào)，接收來自參考裝置的距離測(cè)量信號(hào)，接收關(guān)于對(duì)選擇的參考裝置的距離的測(cè)量，并使用所接收的距離測(cè)量更新物體的位置估算和方向估算。所述的方法還可以包括根據(jù)距離測(cè)量信號(hào)的行程的時(shí)間確定距離測(cè)量。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括提供一種6個(gè)自由度的跟蹤能力，其可以在基本上不受限制的空間內(nèi)應(yīng)用，在所述空間內(nèi)安裝有可以擴(kuò)展的超聲波信標(biāo)星座。慣性測(cè)量方法提供運(yùn)動(dòng)的平滑的和響應(yīng)的檢測(cè)，而超聲波測(cè)量方法提供實(shí)時(shí)的誤差校正，例如由系統(tǒng)的慣性跟蹤元件的漂移引起的誤差的校正?？梢允褂猛ǔ＞哂邢喈?dāng)大的漂移的小的和廉價(jià)的慣性檢測(cè)器，此時(shí)仍然可以提供具有有限的漂移的整個(gè)系統(tǒng)。體積小和重量輕的慣性檢測(cè)器非常適用于虛擬的或增強(qiáng)真實(shí)性的顯示系統(tǒng)的頭戴式跟蹤裝置。通過使用超聲波測(cè)量校正漂移，可以不需要可能對(duì)外部因素例如磁場(chǎng)的改變等敏感的漂移校正測(cè)量。超聲波信標(biāo)的星座在每個(gè)信標(biāo)獨(dú)立地工作因而不需要在信標(biāo)當(dāng)中布線時(shí)可以容易地被擴(kuò)展。在任何時(shí)刻，跟蹤裝置只依賴于使用少量的超聲波信標(biāo)，借以允許跟蹤裝置工作的空間具有不規(guī)則的區(qū)域，例如在大樓中的多個(gè)房間。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，通過使用“inside-out”結(jié)構(gòu)，使得在聲學(xué)距離測(cè)量中沒有在聲波發(fā)出之后由于物體的運(yùn)動(dòng)而引起的等待時(shí)間。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，通過使用慣性測(cè)量，即使在例如由于信標(biāo)的閉塞而不能進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量時(shí)，也能繼續(xù)進(jìn)行跟蹤。此時(shí)一旦慣性跟蹤的漂移被校正，可以再繼續(xù)進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量。
在另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)中，本發(fā)明提供非全方位(Line-of-sight)冗余度，借以可以阻斷在發(fā)送器和檢測(cè)器之間的一個(gè)或幾個(gè)路徑，同時(shí)仍然能夠進(jìn)行物體的跟蹤。
本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)從下面的說明和權(quán)利要求中可以清楚地看出。


圖1表示跟蹤裝置和用于跟蹤所述裝置的聲學(xué)信標(biāo)的星座；圖2表示跟蹤裝置處理器的元件；圖3表示組合的慣性和聲學(xué)跟蹤方法；圖4表示慣性測(cè)量單元(IMU)；圖5表示超聲距離測(cè)量單元(URM)和超聲信標(biāo)；圖6表示用于跟蹤裝置處理器中和慣性測(cè)量單元以及超聲測(cè)量單元連接的輸入/輸出接口；圖7a表示導(dǎo)航和物體參考框架；圖7b表示相互跟蹤裝置；圖8表示慣性跟蹤器的信號(hào)流程圖；圖9表示超聲距離測(cè)量子系統(tǒng)的信號(hào)流圖；圖10是包括慣性跟蹤器和卡爾曼預(yù)報(bào)器以及更新器元件的跟蹤裝置的信號(hào)流圖；圖11是卡爾曼預(yù)報(bào)器的信號(hào)流圖；圖12是卡爾曼更新器的信號(hào)流圖；圖13是跟蹤程序的信號(hào)流圖；圖14a表示關(guān)于第一被跟蹤物體的第二物體的跟蹤；圖14b表示多個(gè)裝置的相互跟蹤；圖15表示頭戴式顯示系統(tǒng)；圖16表示用于電視的攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)；以及圖17表示在汽車上的物體的跟蹤。
參看圖1，一直進(jìn)行其位置和方向估算的跟蹤裝置100在一個(gè)大的房間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。例如，跟蹤裝置100可以被固定在操作者的頭上的頭戴式顯示器(HUD)上，當(dāng)操作者運(yùn)動(dòng)并且改變其頭的方向時(shí)，跟蹤裝置100通過房間而運(yùn)動(dòng)，并且改變其方向。跟蹤裝置100包括處理器130，其和用于提供關(guān)于線加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的慣性測(cè)量的慣性測(cè)量單元(IMU)140相連。當(dāng)跟蹤裝置100在房間內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，處理器130使用慣性測(cè)量確定跟蹤裝置100的運(yùn)動(dòng)。
處理器130還和用于接收從超聲信標(biāo)陣列120即信標(biāo)“星座”發(fā)出的超聲信號(hào)的3個(gè)超聲距離測(cè)量單元(URM)110耦聯(lián)。超聲信標(biāo)陣列120包括獨(dú)立的超聲信標(biāo)122，它們被設(shè)置在環(huán)境中的固定位置，例如被設(shè)置在一個(gè)大的房間的天花板上，例如呈間隔為2英尺的規(guī)則的網(wǎng)格圖案。處理器130使用來自特定的超聲信標(biāo)122的信號(hào)和已知的所述信標(biāo)的三維位置，估算到這些信標(biāo)的距離，借以檢測(cè)跟蹤裝置100的運(yùn)動(dòng)。每個(gè)超聲信標(biāo)122響應(yīng)從跟蹤裝置100發(fā)出的紅外指令信號(hào)112發(fā)送超聲脈沖114。具體地說，在跟蹤裝置100上的每個(gè)URM110對(duì)所有的超聲信標(biāo)122發(fā)送紅外(IR)信號(hào)。這些IR信號(hào)包括地址信息，使得只有一個(gè)信標(biāo)或者只有少量的信標(biāo)識(shí)別為其發(fā)送的IR信號(hào)，并且響應(yīng)所述信號(hào)。響應(yīng)IR信號(hào)，被尋址的信標(biāo)立即發(fā)送超聲脈沖，該脈沖然后被一個(gè)或幾個(gè)URM110接收。處理器130得知被尋址的信標(biāo)立即響應(yīng)IR指令時(shí)，便通過測(cè)量從發(fā)出IR指令到檢測(cè)到超聲脈沖時(shí)間延遲確定行程的時(shí)間。超聲脈沖的行程時(shí)間被用于估算信標(biāo)的距離，然后利用該距離更新跟蹤裝置100的位置和方向。
基于慣性測(cè)量和超聲信號(hào)的兩種測(cè)量方法具有局限性，單獨(dú)依靠哪一種測(cè)量方法取得的結(jié)果都不會(huì)比利用兩種方法的組合所得的結(jié)果精確。跟蹤裝置100組合兩種測(cè)量方式的測(cè)量結(jié)果。跟蹤裝置100在得到兩種測(cè)量方式的測(cè)量結(jié)果時(shí)，或者經(jīng)過一個(gè)時(shí)間延遲，便調(diào)整其位置和方向(即6個(gè)自由度“6-DOF”)的估算，以便反映兩種測(cè)量方式的測(cè)量結(jié)果。為此，處理器130控制一個(gè)擴(kuò)展的卡爾曼濾波器(EKF)，其被用于組合所述的兩種測(cè)量，并保持不斷的估算跟蹤裝置100的位置和方向，并且一直保持在那些測(cè)量結(jié)算中不確定性的估算。
參看圖2，處理器130包括中央處理單元(CPU)200，例如Intel80486微處理器，程序存儲(chǔ)器220，例如只讀存儲(chǔ)器(ROM)，和工作存儲(chǔ)器230，例如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)。CPU200還和用于提供與IMU140、URM110的連接的輸入輸出接口210耦聯(lián)。輸入輸出接口210包括用于提供和IMU140、URM110的數(shù)字接口的數(shù)字邏輯。
IMU140提供一個(gè)對(duì)慣性測(cè)量結(jié)果編碼而獲得的串行數(shù)據(jù)流201。輸入輸出接口210把這個(gè)串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為一種并行的形式212，以便傳遞給CPU200。每個(gè)URM110接收串行信號(hào)211，該信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)IR發(fā)光二極管510向超聲信標(biāo)122(圖1)發(fā)射IR控制信號(hào)。輸入輸出接口210接收來自CPU的用于識(shí)別一個(gè)或幾個(gè)超聲信標(biāo)的地址信息，并向每個(gè)URM110提供串行信號(hào)，然后把所述串行信號(hào)加于發(fā)射的IR信號(hào)上(例如通過幅值調(diào)制)。同一個(gè)串行信號(hào)被提供給所有的URM110，它們同時(shí)發(fā)送相同的IR信號(hào)。每個(gè)URM110依次向輸入輸出接口210提供超聲脈沖到達(dá)的邏輯信號(hào)202。輸入輸出接口210包括用于確定來自信標(biāo)的超聲脈沖的行程時(shí)間并用于確定到信標(biāo)的距離估算的計(jì)時(shí)器。這些距離估算被提供給CPU200。
一種跟蹤算法被存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器220中并由CPU200執(zhí)行，用于把從輸入輸出接口210獲得的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為位置和方向估算值。CPU200還和固定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器240相連，所述存儲(chǔ)器例如包括超聲信標(biāo)的位置的預(yù)定圖形和URM110的麥克風(fēng)的位置的信息。處理器130還包括通信接口260，用于使CPU200和其它裝置相連，例如顯示裝置280，其根據(jù)跟蹤裝置100的位置和方向修改其顯示。
通過參看圖3可以理解系統(tǒng)的操作，圖3是圖1所示的房間的二維平面圖(從上看)。一列空白的圓圈和箭頭310a-e表示在一個(gè)時(shí)間段序列的每個(gè)時(shí)間段跟蹤裝置100的實(shí)際位置和方向。根據(jù)以前的測(cè)量結(jié)果，并根據(jù)在第一時(shí)間段的慣性測(cè)量結(jié)果，實(shí)心的圓圈和箭頭312a表示在第一時(shí)間段由跟蹤裝置100估算的跟蹤裝置的位置和方向。在下一個(gè)時(shí)間段，跟蹤裝置100運(yùn)動(dòng)到位置310b，根據(jù)新的慣性測(cè)量結(jié)果，跟蹤裝置100將其位置估算更新到312b。對(duì)于下一個(gè)時(shí)間段重復(fù)上述處理，得到實(shí)際的位置310c和估算的位置312c。
在到達(dá)位置310b之后，跟蹤裝置100發(fā)送一個(gè)IR指令，如虛線320所示，其具有一個(gè)超聲傳感器122的地址。在收到IR指令之后(基本上沒有延遲)，超聲傳感器122發(fā)送超聲脈沖，如波324所示。波324經(jīng)過一定時(shí)間到達(dá)跟蹤裝置100，此時(shí)跟蹤裝置的實(shí)際位置是330。當(dāng)波326到達(dá)跟蹤裝置時(shí)，根據(jù)到達(dá)的時(shí)間，跟蹤裝置100估算其在位置332。
在下一個(gè)時(shí)間段，跟蹤裝置100首先根據(jù)慣性測(cè)量估算其位置312d。使用關(guān)于超聲傳感器122的位置和位置332間隔的距離信息以及測(cè)量的超聲波的行程時(shí)間，跟蹤裝置100計(jì)算一個(gè)精確的位置估算312d’。在實(shí)際位置310e和估算位置312e使用慣性測(cè)量重復(fù)所述的處理。
一般地說，在每一個(gè)時(shí)間段可以使用慣性測(cè)量和超聲測(cè)量，雖然可以較少地使用超聲測(cè)量。在每一個(gè)時(shí)間段，位置和方向(姿勢(shì))被更新。通過使用相互隔開一定距離的多個(gè)麥克風(fēng)，超聲脈沖可以提供關(guān)于位置和方向的信息。
參看圖4，慣性測(cè)量單元(IMU)140包括3個(gè)角速度檢測(cè)器(例如微加工的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)器或小的旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)儀)420a-c和3個(gè)線加速度檢測(cè)器410a-c。這些檢測(cè)器沿著在跟蹤裝置100的參考框架中保持固定的3個(gè)正交的軸線排列。每個(gè)加速度檢測(cè)器提供基本上和沿著相應(yīng)的軸線的加速度成正比的信號(hào)，每個(gè)角速度檢測(cè)器提供基本上和圍繞相應(yīng)的軸線旋轉(zhuǎn)的速度成正比的信號(hào)。
當(dāng)慣性測(cè)量單元140的方向改變時(shí)，信號(hào)例如加速度信號(hào)則相應(yīng)于在房間的固定(導(dǎo)航)參考框架內(nèi)方向的改變。慣性測(cè)量單元140還包括信號(hào)接口430，其接收來自6個(gè)加速度計(jì)和加速度檢測(cè)器的每個(gè)的信號(hào)411，并發(fā)送一個(gè)串行數(shù)據(jù)流413，其多路傳輸加速度和加速度信號(hào)的數(shù)字表示。如同下面要討論的，加速度和角速度信號(hào)是不精確的，其具有附加的偏移和比例誤差。這些比例和偏移誤差可能和裝置的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。
參見圖5，每個(gè)超聲測(cè)量單元110包括紅外(IR)發(fā)光二極管(LED)510，其由IR信號(hào)發(fā)生器512驅(qū)動(dòng)。信號(hào)發(fā)生器512接收來自輸入輸出接口210(圖2)的串行信號(hào)211，并驅(qū)動(dòng)IR LED 510向一個(gè)或幾個(gè)超聲信標(biāo)122發(fā)送所述信號(hào)。要測(cè)量其距離的超聲信標(biāo)的地址被在串行信號(hào)211中編碼。每個(gè)超聲信標(biāo)122包括IR檢測(cè)器540，如果在超聲距離測(cè)量單元110和所述超聲信標(biāo)之間具有足夠短的無障礙路徑，則所述IR檢測(cè)器接收所述IR檢測(cè)信號(hào)，然后所述信號(hào)被IR信號(hào)譯碼器542譯碼。這個(gè)譯碼的信號(hào)包括由超聲距離測(cè)量單元發(fā)送的地址信息。控制電路560接收譯碼的IR信號(hào)，并且確定是否那個(gè)超聲信標(biāo)是真正要被尋址的，如果是，便通知脈沖發(fā)生器552對(duì)超聲傳感器550提供一個(gè)信號(hào)，使其產(chǎn)生超聲脈沖。所述脈沖通過空氣到達(dá)超聲距離測(cè)量單元110，其中麥克風(fēng)520接收超聲脈沖并向脈沖檢測(cè)器522傳遞相應(yīng)的電信號(hào)，脈沖檢測(cè)器522產(chǎn)生一個(gè)表示脈沖的到達(dá)的邏輯信號(hào)。所述脈沖檢測(cè)信號(hào)被傳遞到輸入輸出接口210(圖2)。如同下面所要討論的，利用行程時(shí)間測(cè)量距離是不十分精確的。其中的誤差源包括脈沖檢測(cè)中的定時(shí)誤差，例如由于空氣溫度或氣流以及從超聲信標(biāo)發(fā)出的超聲波沿不同的傳播方向的不一致性而引起的聲音傳播速度的改變。
輸入/輸出接口210包括用于實(shí)施圖6所示的邏輯功能的電路(即可編程的邏輯陣列)。IMU數(shù)據(jù)緩沖器630接收來自IMU140的串行編碼的加速度和角速度數(shù)據(jù)413，并作為輸出向CPU200提供6個(gè)加速度角速度測(cè)量值631。輸入/輸出接口210還包括信標(biāo)地址緩沖器610。CPU200(圖2)提供要測(cè)量其距離的超聲信標(biāo)的地址。信標(biāo)地址緩沖器610存儲(chǔ)所述地址，并以串行的形式向每個(gè)URM110提供所述地址。在由每個(gè)URM110發(fā)送(以及由超聲信標(biāo)122接收)地址的同時(shí)，3個(gè)計(jì)數(shù)器620a-c被復(fù)位，并開始從0以固定的時(shí)鐘速率(例如2MHz)增加。當(dāng)每個(gè)URM110檢測(cè)到來自信標(biāo)的脈沖時(shí)，相應(yīng)的脈沖檢測(cè)信號(hào)被傳遞給相應(yīng)的計(jì)數(shù)器，其便停止計(jì)數(shù)。然后，CPU200利用所述計(jì)數(shù)值作為超聲脈沖從超聲信標(biāo)到達(dá)每個(gè)URM110的行程時(shí)間的測(cè)量值。參見圖7a-b，跟蹤裝置100(圖1)確定其在房間的導(dǎo)航參考框架中的位置，如標(biāo)號(hào)為N(北)、E(東)、和D(下)的軸線710所示。位置r(n)730是一個(gè)矢量，其具有分別沿著N、E和D方向離開軸線710的位移分量(rN(n),rE(n),rD(n))T。跟蹤裝置100還確定其姿勢(shì)(方向)。
參見圖7b，物體的方向按照為對(duì)準(zhǔn)物體的方向所需的滾動(dòng)角、俯仰角和偏轉(zhuǎn)(歐拉)角表示為θ=(Ψ,θ,Φ)T，物體的方向由坐標(biāo)軸720表示，導(dǎo)航方向由坐標(biāo)軸710表示。這3個(gè)歐拉角被表示為3×3的方向余弦矩陣Cbn(θ)，其在參考物體框架內(nèi)變換坐標(biāo)的矢量，其中主要按照順序應(yīng)用圍繞z,y和x軸的偏轉(zhuǎn)、俯仰和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。方向余弦矩陣可以定義如下 Cbn的上標(biāo)和下標(biāo)表示該矩陣取在“b”(物體)參考框架內(nèi)的矢量，并提供在“n”(導(dǎo)航)參考框架內(nèi)的矢量。
參看圖8，包括旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器420a-c和加速度檢測(cè)器410a-c的慣性檢測(cè)器800向慣性跟蹤器810提供慣性測(cè)量信號(hào)。慣性跟蹤器810執(zhí)行圖8中所示的信號(hào)流的離散的時(shí)間近似。首先，回轉(zhuǎn)儀補(bǔ)償820修正(矢量)角速度信號(hào)ω，以便把測(cè)量偏差考慮進(jìn)去。在本例中，只校正附加的偏差δω。其它的偏差例如乘積誤差(例如不正確的比例系數(shù))，以及由于安裝不精確而引起的誤差也可以被校正。加速度計(jì)補(bǔ)償830類似地校正加速度信號(hào)a(b)中的附加偏差δa(b)。如同下面要充分討論的，使用超聲波測(cè)量計(jì)算包括偏差項(xiàng)δω和δa(b)。
方向積分840根據(jù)進(jìn)行過偏差校正的旋轉(zhuǎn)信號(hào)更新方向估算。在本例中，使用方向的方向余弦表示進(jìn)行方向積分。連續(xù)的微分方程Cbn(t)=Cbn(t)S(ω(t))的離散的時(shí)間表示被用于以固定的速率更新方向余弦矩陣，一般每秒在100和200次之間。通過改變對(duì)于離散的時(shí)間系統(tǒng)的表示(例如Ck=Cbn(kΔt))，按下式實(shí)現(xiàn)方向余弦矩陣的離散時(shí)間更新Ck=Ck-1(I+sinδθδθS(δθ‾)+1-cosδθδθ2S(δθ‾)2)]]>其中δθ‾=‾ωk-1+‾ωk2Δt,δθ=||δθ‾||]]>以及S(δθ‾)=0-δθzδθyδθz0-δθx-δθyδθx0]]>是δθ的斜邊對(duì)稱矩陣。注意S(δΘ)滿足下式S(δθ)2=δθ2I-δθδθT.
為了確保Ck確實(shí)是方向余弦矩陣，在每次迭代之后其行被正交化(orthonormalized)，以便消除可能被輸入到每項(xiàng)中的數(shù)值或近似誤差。
根據(jù)被跟蹤的方向余弦矩陣Ck，坐標(biāo)變換850接收在物體參考框架內(nèi)進(jìn)行過偏差校正的加速度信號(hào)，并按照下式輸出在導(dǎo)航參考框架內(nèi)的加速度信號(hào)二重積分850按照下式計(jì)算速度和位置v‾k(n)=v‾k-1(n)+a‾k-1(n)+a‾k(n)2Δt,]]>且r‾k(n)=r‾k-1(n)+v‾k-1(n)Δt+2a‾k-1(n)+a‾k(n)6Δt2•]]>
歐拉角計(jì)算部分870接收方向余弦矩陣，并輸出相應(yīng)的歐拉角。慣性跟蹤器810的輸出是(θ,r(n))T。慣性跟蹤器的狀態(tài)包括一個(gè)15維的矢量，其由5組三維值組成如同下面詳細(xì)說明的，慣性跟蹤器810接收從超聲距離測(cè)量導(dǎo)出的誤差更新信號(hào)δx，用于校正方向、速度和位置值，并用于更新回轉(zhuǎn)儀和加速度計(jì)偏差校正元件的參數(shù)。
參見圖9，信標(biāo)順序器910接收來自慣性跟蹤器810的位置估算r(n)。信標(biāo)順序器910使用超聲信標(biāo)122(圖1所示)的位置(和地址)的信標(biāo)圖形915，確定在每一個(gè)時(shí)間段哪一個(gè)信標(biāo)被觸發(fā)，以便產(chǎn)生超聲距離測(cè)量信號(hào)。例如，信標(biāo)順序器910確定和當(dāng)前位置最接近的信標(biāo)，并在每一個(gè)時(shí)間段在這些信標(biāo)當(dāng)中循環(huán)。當(dāng)位置估算改變時(shí)，一般地說，最接近的一組信標(biāo)也改變。在信標(biāo)順序器910依次觸發(fā)每個(gè)信標(biāo)之后，相應(yīng)的超聲脈沖到達(dá)并且被跟蹤裝置檢測(cè)到。每個(gè)脈沖產(chǎn)生對(duì)于每個(gè)用于檢測(cè)該脈沖的麥克風(fēng)產(chǎn)生一個(gè)距離測(cè)量值。在本實(shí)施例中，每個(gè)脈沖產(chǎn)生一組3個(gè)距離測(cè)量值，每個(gè)測(cè)量值來自3個(gè)URM110中的一個(gè)麥克風(fēng)。
繼續(xù)參看圖9，距離測(cè)量920相應(yīng)于接收超聲距離估算的處理。用于距離測(cè)量的相關(guān)的參數(shù)是被尋址的信標(biāo)的位置b(n)，用于檢測(cè)所述脈沖的麥克風(fēng)的位置m(b)，距離估算本身dr，以及脈沖被檢測(cè)的時(shí)間tr，其被用于校正測(cè)量中的等待時(shí)間。注意，如果位置估算沒有誤差，因而距離估算完全精確，則距離估算應(yīng)當(dāng)滿足dr=‖b(n)-(r(n)(tr)+Cbn(tr)m(b))‖使用來自這個(gè)等式的偏差校正慣性跟蹤器810的參數(shù)和輸出。
跟蹤裝置100使用互補(bǔ)卡爾曼濾波器當(dāng)輸入距離測(cè)量值時(shí)，通過不斷地更新被跟蹤的數(shù)量改進(jìn)跟蹤的位置和方向的估算。參看圖10，所述的方法涉及兩個(gè)相關(guān)的元件。當(dāng)慣性跟蹤器810更新其輸出x時(shí)，卡爾曼預(yù)測(cè)器1010保持x中的誤差的計(jì)算的協(xié)方差矩陣P。例如，在慣性跟蹤器810中沒有任何漂移補(bǔ)償時(shí)，協(xié)方差矩陣P將相應(yīng)于一直在增加的誤差。
在這種方法中使用的第二個(gè)元件是卡爾曼更新器1020，其接收來自距離測(cè)量920的信息，并使用這個(gè)測(cè)量信息確定估算積累的誤差δx，其被送回慣性跟蹤器810，用于更新x。此外，在每個(gè)超聲測(cè)量之后，卡爾曼更新器1020計(jì)算在更新之后在x中的誤差的新估算的協(xié)方差矩陣，其被回送到卡爾曼預(yù)測(cè)器1010。每個(gè)超聲測(cè)量部分地校正慣性跟蹤器810的輸出。連續(xù)的超聲更新序列確保誤差為最小。
慣性跟蹤器810是一種對(duì)其輸入進(jìn)行非線性處理的處理器，因此，由高斯噪聲驅(qū)動(dòng)的用于純線性濾波器的卡爾曼濾波器的結(jié)構(gòu)是不合適的。通過使用一般被稱為“擴(kuò)展的卡爾曼濾波器”(EKF)，便可以使用一種線性化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，其表征在慣性跟蹤器810的輸出x中的誤差的傳播。由EKF模擬的誤差是δx=(φ,δω(b),δr(n),δv(n),δa(b))T具有相應(yīng)于慣性跟蹤器的矢量輸出的分量。注意，在物體坐標(biāo)系統(tǒng)中模擬誤差項(xiàng)δa(b)，而不在導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)中模擬，并且其它元件直接相應(yīng)于慣性跟蹤器810的輸出中的誤差。線性化的誤差傳播模型的參數(shù)包括狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，和用于驅(qū)動(dòng)所述誤差模型的驅(qū)動(dòng)噪聲的協(xié)方差矩陣。狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和驅(qū)動(dòng)噪聲協(xié)方差矩陣依賴于慣性跟蹤器的輸出。在沒有任何測(cè)量值的情況下，誤差處理的平均值保持為0。不過，誤差的協(xié)方差增加。誤差傳播的線性化模型是δxk=F(xk-1)δxk-1+wk-1·其中的項(xiàng)Fk=F(xk-1)是從在慣性跟蹤器810中使用的更新方程的擾動(dòng)分析中導(dǎo)出的，并且相應(yīng)于下面的誤差傳播方程φk=φk-1-Cnbδωk-1,δωk=δωk-1,δrk=δrk-1+Δtδvk-1-12Δt2(Cbnδak-1(b)-S(φk-1)(ak-1(n)+(0,0-g)T))]]>δyk=δvk-1+Δtδa(b)k-1-ΔtS(φk-1)(a(n)k-1+(0,0,-g)T),andδa(b)k=δa(b)k-1其中處理噪聲wk的協(xié)方差被假定為是對(duì)角線的。這些協(xié)方差矩陣的項(xiàng)是從對(duì)慣性跟蹤器810提供的慣性測(cè)量值中的已知的誤差源中得到的，包括附加的偏移誤差、比例誤差、檢測(cè)器和物體軸線的對(duì)準(zhǔn)誤差和來自檢測(cè)器本身的信號(hào)噪聲。各個(gè)變量依賴于慣性跟蹤器的輸出，如下式表示Qk=diag(σφx2,σφy2,σφz2,σω2,σω2,σω2,σrx2,σry2,σrz2,σvx2,σvy2,σvz2,σa2,σa2,σa2)]]>其中的各個(gè)變量項(xiàng)按照下式被參數(shù)化σφx=GyroscaleωxΔt+GyroAlign(ωy+ωx)Δt+GyroNoiseΔr]]>σφy=GyroScaleωyΔt+GyroAlign(ωx+ωz)Δt+GyroNoiseΔt]]>σφz=GyroScaleωzΔt+GyroAlign(ωx+ωy)Δt+GyroNoiseΔt]]>σω= GyroBiasChangeRate Δtσrx=σry=σrz=0]]>σvx=AccelScaleaxΔt+AccelAlign(ay+az)Δt+AccelNoiseΔt]]>σvy=AccelScaleayΔt+AccelAlign(ax+ay)Δt+AccelNoiseΔt]]>σvz=AccelScaleazΔt+AccelAlign(ax+ay)Δt+AccelNoiseΔt]]>σ2a=AccelBiasChangeRate Δt其中GyroScale,AccelScale,GyroAlign,AccelAlign相應(yīng)于在用于儀器誤差補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)系數(shù)中的不確定性的程度。一般地說，可以使用非對(duì)角線處理噪聲協(xié)方差。
參見圖11，卡爾曼預(yù)測(cè)器1010具有兩級(jí)，誤差初始化級(jí)1110首先按照上述計(jì)算Fk和Qk。然后，協(xié)方差傳播級(jí)1120利用迭代方法更新誤差協(xié)方差，其中在每個(gè)時(shí)間段使用卡爾曼協(xié)方差傳播方程Pk= Fk-1Pk-1FTk-1+Qk當(dāng)卡爾曼預(yù)測(cè)器1010接收到作為超聲距離測(cè)量結(jié)果而產(chǎn)生的更新的協(xié)方差P(+)時(shí)，則更新的協(xié)方差代替當(dāng)前誤差協(xié)方差P。
參見圖12，卡爾曼更新器1020接收來自慣性跟蹤器810的距離測(cè)量920的輸出以及位置和方向的估算值，以及來自卡爾曼預(yù)測(cè)器1010的位置和方向估算的誤差的協(xié)方差，并計(jì)算誤差估算和由應(yīng)用所述誤差估算而得到的更新的協(xié)方差?？柭缕?020的第一級(jí)是測(cè)量余項(xiàng)計(jì)算1210。期望的距離和測(cè)量的距離之間的差利用下式計(jì)算δdr=dr-‖b(n)-(r(n)(tr)+Cnb(tr)m(b))‖.
注意，一般地說，在最初檢測(cè)到距離測(cè)量之后的某個(gè)時(shí)刻使用距離測(cè)量。為了考慮這個(gè)時(shí)延，使用在超聲脈沖到達(dá)時(shí)的跟蹤裝置的位置和方向而不使用在測(cè)量時(shí)的位置和方向。使用當(dāng)前的位置、方向以及線速度和角速度估算，向回推斷測(cè)量時(shí)間，從而確定r(n)(tr)和Cbn(tr)。
為了應(yīng)用卡爾曼更新方程，使用下面的線性化觀測(cè)方程模擬這個(gè)余項(xiàng)δdr=H(x,b,dr,m)δx+v.
觀測(cè)矩陣Hk=H(xk.b,dr,m)是位置和方向中的誤差對(duì)距離測(cè)量誤差的線性影響。附加噪聲v具有偏差R(xk,b,dr,m)。
Hk具有以下形式HK=(bDmg-bgmD+rgmN-rDmgdr,bNmD-bDmN+rDmN-rNmDdy,bgmN-bNmg+rNmg-rgmNDr,]]>0,0,0,rN+mN-bNdr,rg+mE-bEdr,rD+mD-bDdr,0,0,0,0,0,0,)]]>導(dǎo)出偏差R(xk,b,dr,m)用于模擬和超聲距離測(cè)量相關(guān)的各種現(xiàn)象。例如，當(dāng)距離增加時(shí)，脈沖檢測(cè)更加困難，這部分地由于脈沖擴(kuò)散，因而使用增加的距離模擬相關(guān)的距離測(cè)量誤差。偏差R(xkb,dr,m)具有以下形式R=σ2u+σ2t并被參數(shù)化為σ2u=NoiseFloor+NoiseScale dr以及σ2t=(kΔt-tr)Hk(ωx,ωy,ωz,0,0,0,vx,vy,vz,0,0,0,0,0,0))THk的前兩項(xiàng)可以交替地被設(shè)置為0，以便進(jìn)行加速度測(cè)量傾斜校準(zhǔn)(如果需要更精確)。如果第三項(xiàng)被設(shè)為0，則用一個(gè)較長的時(shí)間間隔進(jìn)行偏轉(zhuǎn)漂移校正，不過精度較高。
卡爾曼更新器1020包括測(cè)量接收/拒絕級(jí)1230。接收/拒絕級(jí)1230接收測(cè)量余項(xiàng)δx，和測(cè)量余項(xiàng)的計(jì)算的偏差R。如果測(cè)量余項(xiàng)的大小大于計(jì)算的測(cè)量余項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的一個(gè)預(yù)定的倍數(shù)，則該測(cè)量因被懷疑而被拒絕，例如，這種測(cè)量結(jié)果可以由于超聲脈沖檢測(cè)器被提前或推遲觸發(fā)而得到。否則，測(cè)量余項(xiàng)便被進(jìn)一步處理，以便計(jì)算狀態(tài)誤差估算δx。使用卡爾曼濾波更新方程，卡爾曼增益計(jì)算1240按下式計(jì)算卡爾曼增益
K=PkHTk(HkPkHTk+R)-1然后，誤差估算1250計(jì)算誤差估算為δx-K δd，并且協(xié)方差更新器1260計(jì)算更新的誤差協(xié)方差如下P(+)=(I-KH)Pk,然后使用δx的分量更新慣性跟蹤器810。計(jì)算出的項(xiàng)δω和δa(b)分別被送到回轉(zhuǎn)儀偏差校正單元820和加速度計(jì)偏差校正單元830(圖8)，在那里被分別附加到當(dāng)前存儲(chǔ)的偏差參數(shù)上．計(jì)算的項(xiàng)δv(n)和δ(n)被分別送到重積分單元860(圖8)，在那里它們被分別附加到v(n)和r(n)的當(dāng)前估算上。最后，按照下式更新方向余弦矩陣Ck-(I-s(φ))Ck,并被重新進(jìn)行正交化。
再次參看圖1，超聲信標(biāo)陣列120包括被排列成規(guī)則圖案的各個(gè)超聲信標(biāo)122。例如，這些信標(biāo)可以被排列成間距大約為2英尺的方格，最好具有3mm或更小的精度。對(duì)這些信標(biāo)設(shè)置有限數(shù)量的地址，在本例中由于硬件的限制只利用8個(gè)不同的地址。因此，當(dāng)跟蹤裝置向一個(gè)地址發(fā)出IR指令時(shí)，一般地說，將有多個(gè)超聲信標(biāo)接收信號(hào)并響應(yīng)所述信號(hào)。只有具有任何特定地址的最近的一個(gè)信標(biāo)用于距離測(cè)量。不過，因?yàn)橛卸鄠€(gè)信標(biāo)可以響應(yīng)每個(gè)IR指令，脈沖檢測(cè)電路可能被過早地觸發(fā)，例如通過來自在以前的重復(fù)中的被觸發(fā)的信標(biāo)的脈沖，但是該信標(biāo)足夠遠(yuǎn)，使得其發(fā)出的脈沖直到下一次重復(fù)才到達(dá)。為了避免這個(gè)預(yù)觸發(fā)問題，脈沖檢測(cè)器522(圖5)只在預(yù)計(jì)所需的脈沖要到達(dá)的時(shí)間窗口被選通。這便避免了由來自其它信標(biāo)的脈沖或由前面的脈沖的長時(shí)間的不斷的反射而形成的信號(hào)造成的誤觸發(fā)。
在本說明中，用于跟蹤和卡爾曼更新的程序，初始位置和方向估算被假定為是已知的。但是不一定是這種情況，跟蹤裝置100可以使用自動(dòng)獲取算法。有限數(shù)量的超聲信標(biāo)的地址作為初始獲取算法的基礎(chǔ)。首先，跟蹤裝置觸發(fā)具有每個(gè)可允許的地址的信標(biāo)，并測(cè)量到每個(gè)地址的最接近的一個(gè)信標(biāo)的距離。然后，根據(jù)距離測(cè)量確定4個(gè)最接近的信標(biāo)的地址。跟蹤裝置包括一個(gè)信標(biāo)圖形，所述圖形包括所有信標(biāo)的位置和地址。這些信標(biāo)被這樣排列，使得4個(gè)最接近的信標(biāo)的地址把可能的位置局限于房間的一個(gè)小的部分。如果根據(jù)最接近的信標(biāo)不能確定，則使用到信標(biāo)的實(shí)際的距離進(jìn)行三角測(cè)量處理來進(jìn)行確定。最初的方向基于對(duì)于每個(gè)麥克風(fēng)的相對(duì)距離測(cè)量。
整個(gè)跟蹤處理可以被歸納為圖13所示的流程圖。首先，使用上述的方法獲得初始位置和方向(步1310)。然后程序進(jìn)入每次處理一個(gè)時(shí)間段的循環(huán)。在進(jìn)入等待下一個(gè)時(shí)間段之后(步1320)接收初始測(cè)量(1330)，并且被跟蹤的變量x和誤差協(xié)方差P通過使用慣性測(cè)量被更新(1340)。如果得到尚未處理的超聲距離測(cè)量(1350)，則使用距離測(cè)量計(jì)算誤差更新δx，并更新誤差協(xié)方差P(+)(1360)。然后使用誤差更新和新的誤差協(xié)方差更新慣性跟蹤器和卡爾曼預(yù)測(cè)器(1370)。然后程序確定是否在該時(shí)間段必須進(jìn)行距離測(cè)量(1380)。因?yàn)閷?duì)于每個(gè)脈沖進(jìn)行3個(gè)距離測(cè)量，但是每個(gè)時(shí)間段只進(jìn)行一次距離測(cè)量，所以可能有在下一個(gè)時(shí)間段將要進(jìn)行的積累的距離測(cè)量。因此，對(duì)于若干個(gè)將來的時(shí)間段不必進(jìn)行新的距離測(cè)量?？紤]到下一個(gè)超聲脈沖的預(yù)期的行程時(shí)間(其一般大于一個(gè)時(shí)間段)，程序確定是否在該時(shí)間段應(yīng)當(dāng)發(fā)送IR指令(1380)，如果是，則選擇下一個(gè)信標(biāo)地址(1390)，如果不是，則向那個(gè)信標(biāo)發(fā)送IR指令(1395)。然后程序在步1320再次開始循環(huán)，等待下一個(gè)時(shí)間間隔的開始。
可以使用若干個(gè)不同的方法。在上述的實(shí)施例中，每個(gè)時(shí)間段只使用一次距離測(cè)量。此外，如果處理器130具有足夠的計(jì)算能力，則在每一個(gè)時(shí)間段可以使用所有可利用的距離測(cè)量。這另一種方法通過從步1370向回循環(huán)到步1350直到進(jìn)行所有的距離測(cè)量來實(shí)現(xiàn)。另外，除去對(duì)每一個(gè)距離測(cè)量的數(shù)量依次進(jìn)行卡爾曼更新之外，可以在每個(gè)時(shí)間段中都可以使用類似的更新方程更新向量觀測(cè)和相關(guān)的觀測(cè)噪聲。此外，除去直到下一個(gè)時(shí)間段進(jìn)行不同的距離測(cè)量處理之外，當(dāng)?shù)玫骄嚯x測(cè)量的結(jié)果時(shí)，都可以將其考慮進(jìn)去，而不和慣性跟蹤器的更新同步。
上述的程序可以和其它測(cè)量方式組合。例如，可以使用傾角計(jì)對(duì)擴(kuò)展的卡爾曼濾波器提供允許校正方向漂移的測(cè)量。此外，除去使用3個(gè)或多個(gè)允許進(jìn)行所有的3個(gè)旋轉(zhuǎn)度的校正的麥克風(fēng)之外，可以使用兩個(gè)麥克風(fēng)和所述傾角計(jì)組合進(jìn)行距離測(cè)量。用這種方式，可以根據(jù)傾角計(jì)進(jìn)行一些漂移校正，但是不需要用指南針進(jìn)行漂移校正，因?yàn)槠鋵?duì)磁場(chǎng)的變化敏感。也可以使用3個(gè)以上的麥克風(fēng)提供較大的冗余度，并且允許更多的旋轉(zhuǎn)自由度。
作為在環(huán)境中的固定位置安裝信標(biāo)和在跟蹤裝置上設(shè)置麥克風(fēng)的通常被稱為“inside-out”結(jié)構(gòu)的一種替代方案，有一種相反的被稱為“outside-in”的結(jié)構(gòu)。此時(shí)跟蹤裝置提供超聲脈沖，而具有坐標(biāo)的麥克風(fēng)陣列檢測(cè)跟蹤裝置的位置。注意在脈沖到達(dá)麥克風(fēng)的時(shí)刻，一般地說，跟蹤裝置已經(jīng)移動(dòng)到一個(gè)新的位置。這種重復(fù)的測(cè)量必須利用和上述的距離測(cè)量中使用的重復(fù)補(bǔ)償相似的方式進(jìn)行補(bǔ)償。
信標(biāo)122不必被設(shè)置在一個(gè)平面陣列中，它們可以被設(shè)置在墻壁上和天花板上，或者被設(shè)置在環(huán)境中的其它支撐物上。例如，信標(biāo)可以被設(shè)置在燈具固定物上。信標(biāo)的數(shù)量可以被選擇，以便和用戶的要求匹配，并且可以根據(jù)各種準(zhǔn)則選擇信標(biāo)的位置，例如可利用的合適的固定點(diǎn)和幾何方面的考慮，并且信標(biāo)的圖案可以被設(shè)置使得和選擇的信標(biāo)的位置和數(shù)量相匹配。在星座中信標(biāo)的數(shù)量可以由用戶增加或減少，只要信標(biāo)圖形保持更新即可。
從跟蹤裝置到信標(biāo)的指令信號(hào)可以使用IR發(fā)送之外的其它方式發(fā)送。例如可以使用RF，可見光或聲波。跟蹤裝置也可以通過線路和信標(biāo)相連。
利用“inside-outside-in”結(jié)構(gòu)可以跟蹤兩個(gè)或多個(gè)物體。參見圖14a，跟蹤裝置100和上述一樣跟蹤其位置。第二個(gè)跟蹤裝置1400包括按照已知的相互位置關(guān)系排列的3個(gè)可尋址的超聲信標(biāo)1410。通過觸發(fā)信標(biāo)1410發(fā)送由跟蹤裝置100上的URM110接收的超聲脈沖，跟蹤裝置可以確定第二個(gè)跟蹤裝置的相對(duì)位置和方向。一個(gè)進(jìn)一步的擴(kuò)展提供相對(duì)位置和方向估算的增加的精度，其涉及使用被固定在跟蹤裝置1400上的第二慣性測(cè)量裝置和向跟蹤裝置100發(fā)送慣性測(cè)量。如果只在第二物體上設(shè)置單個(gè)的信標(biāo)，則可以使用超聲距離測(cè)量檢測(cè)相對(duì)位置，而不需跟蹤第二個(gè)裝置的相對(duì)方向。
參見圖14b，可以使用由多個(gè)跟蹤裝置構(gòu)成的“相互跟蹤網(wǎng)絡(luò)”。這些跟蹤裝置跟蹤相對(duì)于環(huán)境中的其它裝置的各自的位置，在所述環(huán)境中包括固定的信標(biāo)和其它運(yùn)動(dòng)的被跟蹤的物體。這可以利用和跟蹤裝置相連的附加的通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，例如RF局域網(wǎng)。
在上述的實(shí)施例中，信標(biāo)陣列的“圖形”被假定為是精確的。因?yàn)榫嚯x測(cè)量包括冗余的信息，在信標(biāo)布局中的誤差可以用迭代方法消除并被更新，借以改善精度。具體地說，信標(biāo)的布局誤差可被包括在擴(kuò)展的卡爾曼濾波器的狀態(tài)中，并且來自每個(gè)信標(biāo)的距離測(cè)量將隨時(shí)用于布局誤差的估算。也可以使用一種單獨(dú)的初始自動(dòng)的“成形”方式，其中通過在房間內(nèi)的一個(gè)或幾個(gè)位置的距離測(cè)量和三角測(cè)量計(jì)算，可以確定信標(biāo)的位置。這些被自動(dòng)確定的位置可被用作已知的位置，或者用作初始的估算，其然后通過使用卡爾曼濾波器被進(jìn)一步更新。在這種類型的方法中，信標(biāo)可被無規(guī)則地設(shè)置在房間內(nèi)，而不需要被精確地定位。
上述的跟蹤方法有若干種應(yīng)用。第一種應(yīng)用涉及使跟蹤裝置和頭戴的顯示器相連。參見圖15，頭戴顯示器1510使用戶能夠直接觀看物理對(duì)象1520，例如工件。顯示器1510使用工件1520在房間參考框架中的已知位置，把信息疊加在用戶觀看工件的視野中。例如，在對(duì)大型裝置施加一個(gè)線束時(shí)，疊加的信息可以包括關(guān)于線束的正確放置的信息。也可以使用類似的頭戴顯示器在虛擬的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中提供被用戶觀看的完整的圖像，而不把圖像疊加在由用戶觀看的實(shí)際圖像上。
另一種實(shí)際應(yīng)用涉及跟蹤電視拍攝中的攝像機(jī)的位置。參看圖16，電視攝制中的一般技術(shù)是在空白(一般是單色的)背景的前方拍攝物體1620，然后以電子方式疊加作為背景的另一個(gè)圖像(表示為1630)。這種技術(shù)的困難在于，當(dāng)攝像機(jī)1610運(yùn)動(dòng)時(shí)，背景圖像應(yīng)當(dāng)改變，以便反映攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)。通過在照相機(jī)1610上設(shè)置跟蹤裝置100，可以跟蹤攝像機(jī)的位置和方向，通過用于接收攝像機(jī)的改變的位置和方向的圖像處理器自動(dòng)地修正背景圖像。這種方法使得能夠構(gòu)成大的被存儲(chǔ)在圖像處理器中的“虛擬場(chǎng)景”，借以可以使用多個(gè)并且不斷改變的攝像機(jī)的角度。
另一種應(yīng)用涉及檢測(cè)汽車中的物體的運(yùn)動(dòng)，例如，在汽車碰撞試驗(yàn)中。參看圖17，在碰撞的汽車1710內(nèi)的假人1720可以使用跟蹤裝置100進(jìn)行跟蹤。此外，第二個(gè)物體例如防火墻上的一點(diǎn)可以使用上述的inside-outside-in方法利用信標(biāo)1730進(jìn)行跟蹤。這使得能夠在汽車的參考框架內(nèi)跟蹤假人并且相對(duì)于假人跟蹤汽車內(nèi)的一點(diǎn)。
其它的應(yīng)用包括自動(dòng)導(dǎo)航，庫存物品、資產(chǎn)或人員的跟蹤，用于破壞控制的虛擬的或擴(kuò)大真實(shí)性的船只，攝像機(jī)的跟蹤，娛樂(例如音樂主題和游戲節(jié)目)的跟蹤，用于運(yùn)動(dòng)捕獲的整個(gè)物體的跟蹤，以及武器的跟蹤。
另一個(gè)實(shí)施例也可以使用其它方法進(jìn)行慣性跟蹤。例如，不使用方向余弦矩陣進(jìn)行方向積分，可以同樣地使用歐拉角或四元法進(jìn)行方向積分。注意線性化誤差傳播系統(tǒng)矩陣和驅(qū)動(dòng)噪聲協(xié)方差在一定程度上取決于使用的具體的跟蹤算法。此外，可以改變卡爾曼濾波器的狀態(tài)，例如以便包括其它的項(xiàng)。這方面的一個(gè)例子不僅跟蹤加速度計(jì)附加偏移，如上面的實(shí)施例中所述，而且跟蹤加速度計(jì)信號(hào)、誤對(duì)準(zhǔn)和聲音速度的乘積偏差。
也可以使用其它的距離測(cè)量方法，包括聲音相位，RF或光的行程時(shí)間，RF或光的相位，以及機(jī)械電纜延伸。
也可以使用熔合(fusing)慣性和聲音測(cè)量的其它方法代替卡爾曼濾波方法。例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，基于規(guī)則的推理，或模糊邏輯系統(tǒng)，或者使用優(yōu)化方法使這些測(cè)量方法相結(jié)合。
在上面的說明中，只使用了8個(gè)不同的超聲信標(biāo)地址。此外，每個(gè)信標(biāo)可以被單獨(dú)地編址，或者可以使用大量的共用地址。如果信標(biāo)能夠被單獨(dú)地尋址，可以進(jìn)行初始獲取，例如，通過使信標(biāo)也響應(yīng)“組地址”，或者以這種方式在獲取階段響應(yīng)對(duì)各個(gè)信標(biāo)尋址的指令序列，使得跟蹤裝置通過首先找到在范圍內(nèi)的一個(gè)信標(biāo)對(duì)其初始位置“zero in(歸零)”，然后根據(jù)跟蹤裝置已知的信標(biāo)圖形檢索越來越接近的信標(biāo)。當(dāng)跟蹤區(qū)域由幾個(gè)不同的房間構(gòu)成時(shí)也可以使用這種方法。首先，確定跟蹤裝置所在的房間，然后確定其在房間中的位置。
應(yīng)當(dāng)理解，上面的說明只是用于說明本發(fā)明，而不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求限定。其它的方面、優(yōu)點(diǎn)和改型都落在下面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種用于跟蹤物體的運(yùn)動(dòng)的方法，其包括以下步驟獲得和物體的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的兩種類型的測(cè)量，其中一種類型的測(cè)量包括聲學(xué)測(cè)量；根據(jù)兩種測(cè)量中的一種測(cè)量更新物體的方向或位置的估算；以及根據(jù)兩種測(cè)量中的另一種測(cè)量更新所述估算。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中一種類型的測(cè)量包括聲學(xué)距離測(cè)量。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其中另一種類型的測(cè)量包括慣性測(cè)量。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述估算是方向估算。
5．一種用于跟蹤物體運(yùn)動(dòng)的裝置，包括兩個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)，其被構(gòu)成分別用于獲得和物體的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的兩種類型的測(cè)量，其中一種類型的測(cè)量包括聲學(xué)測(cè)量；以及和所述兩個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)相連的處理器，其被構(gòu)成用于根據(jù)兩種測(cè)量中的一種測(cè)量更新物體的方向或位置的估算，并根據(jù)兩種測(cè)量中的另一種測(cè)量更新所述估算。
6．一種跟蹤裝置，包括檢測(cè)器系統(tǒng)，其中包括慣性檢測(cè)器；和一組和慣性檢測(cè)器剛性連接的一個(gè)或幾個(gè)聲音檢測(cè)器；以及處理器，其被編程用于執(zhí)行以下功能接收來自慣性檢測(cè)器的慣性測(cè)量結(jié)果；使用接收的慣性測(cè)量結(jié)果更新位置估算和方向估算；選擇多個(gè)聲學(xué)參考裝置中的一個(gè)；接收關(guān)于在檢測(cè)器系統(tǒng)和選擇的聲學(xué)參考裝置之間的距離的聲學(xué)距離測(cè)量結(jié)果；使用接收的距離測(cè)量結(jié)果更新位置估算和方向估算。
7．如權(quán)利要求6所述的跟蹤裝置，其中檢測(cè)器系統(tǒng)包括用于發(fā)送控制信號(hào)編碼和選擇的聲學(xué)參考裝置的識(shí)別符的發(fā)送器，并且每個(gè)聲學(xué)檢測(cè)器包括用于接收來自聲學(xué)參考裝置的聲音信號(hào)的麥克風(fēng)。
8．如權(quán)利要求6所述的跟蹤裝置，其中所述一組一個(gè)或幾個(gè)聲學(xué)檢測(cè)器包括兩個(gè)或多個(gè)聲學(xué)檢測(cè)器。
9．如權(quán)利要求6所述的跟蹤裝置，其中使用接收的慣性測(cè)量結(jié)果更新位置估算和方向估算包括更新位置和方向估算中的不確定性；以及使用接收的慣性測(cè)量結(jié)果更新位置估算和方向估算包括確定距離測(cè)量中的不確定性，并使用距離測(cè)量中的不確定性更新位置和方向估算中的不確定性。
10．一種用于跟蹤物體運(yùn)動(dòng)的方法，包括以下步驟選擇多個(gè)參考裝置中的一個(gè)裝置；向所選擇的參考裝置發(fā)送控制信號(hào)；接收來自參考裝置的距離測(cè)量信號(hào)；接收關(guān)于對(duì)選擇的參考裝置的距離的測(cè)量；以及使用所接收的距離測(cè)量更新物體的位置估算和方向估算。
11．如權(quán)利要求10所述的方法，包括根據(jù)距離測(cè)量信號(hào)的行程的時(shí)間確定距離測(cè)量。
12．如權(quán)利要求10所述的方法，其中發(fā)送控制信號(hào)包括發(fā)送無線控制信號(hào)。
13．一種被存儲(chǔ)在加速計(jì)可讀介質(zhì)中的軟件，包括用于使計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下功能的指令選擇多個(gè)參考裝置中的一個(gè)裝置；向所選擇的參考裝置發(fā)送控制信號(hào)；接收來自參考裝置的距離測(cè)量信號(hào)；接收關(guān)于對(duì)選擇的參考裝置的距離的測(cè)量；以及使用所接收的距離測(cè)量更新物體的位置估算和方向估算。
14．一種跟蹤系統(tǒng)，包括聲學(xué)參考系統(tǒng)，其中包括多個(gè)聲學(xué)參考裝置；以及跟蹤裝置，包括檢測(cè)器系統(tǒng)，其包括慣性檢測(cè)器和一組與慣性檢測(cè)器剛性連接的一個(gè)或幾個(gè)聲音檢測(cè)器；以及處理器，其被編程用于執(zhí)行以下功能接收來自慣性檢測(cè)器的慣性測(cè)量結(jié)果，使用接收的慣性測(cè)量結(jié)果更新位置估算和方向估算，選擇多個(gè)聲學(xué)參考裝置中的一個(gè)，接收關(guān)于在檢測(cè)器系統(tǒng)和選擇的聲學(xué)參考裝置之間的距離的聲學(xué)距離測(cè)量結(jié)果，使用接收的距離測(cè)量結(jié)果更新位置估算和方向估算。
15．如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中檢測(cè)器系統(tǒng)包括用于發(fā)送控制信號(hào)編碼和選擇的聲學(xué)參考裝置的識(shí)別符的發(fā)送器，并且每個(gè)聲學(xué)檢測(cè)器包括用于接收來自聲學(xué)參考裝置的聲音信號(hào)的麥克風(fēng)，并且其中每個(gè)聲學(xué)參考裝置包括用于接收來自檢測(cè)器系統(tǒng)的控制信號(hào)的接收器和用于發(fā)送聲音信號(hào)的聲學(xué)傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及物體運(yùn)動(dòng)的跟蹤,它通過獲得和物體的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的兩個(gè)類型的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的,一種類型的測(cè)量包括聲音測(cè)量。根據(jù)兩種類型的測(cè)量中的一種測(cè)量,例如根據(jù)由慣性測(cè)量(140)單元獲得的慣性測(cè)量更新物體位置或方向的估算。然后根據(jù)兩種測(cè)量中的另一種例如根據(jù)由聲學(xué)距離測(cè)量單元(110)獲得的聲學(xué)距離測(cè)量更新所述的估算。本發(fā)明的特征還在于對(duì)于選擇的參考裝置確定距離測(cè)量,所述的參考裝置被固定在所述物體的環(huán)境中,例如被固定在超聲信標(biāo)陣列(120)中的超聲信標(biāo)(122)。
文檔編號(hào)G01S5/22GK1308505SQ99807510
公開日2001年8月15日 申請(qǐng)日期1999年4月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月17日
發(fā)明者E·M·?？怂沽?申請(qǐng)人:麻省理工學(xué)院