[發明專利]一種可擴展的基站陣列、光學跟蹤系統及其跟蹤方法

有效

• 申請號: 201810126032.4
• 申請日: 2018-02-08
• 公開（公告）號: CN108414978B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 翁冬冬;荀航;李冬;胡翔;李躍
• 申請（專利權）人: 北京理工大學;南昌虛擬現實檢測技術有限公司
• 主分類號: G01S5/16
• 分類號: G01S5/16
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 高會允;仇蕾安

本發明公開了一種可擴展的基站陣列、光學跟蹤系統及其跟蹤方法，實現了基站的擴展，并且通過預置偏移布局來實現更為精準、快速的信號分揀，從而獲得更為精確、高效的跟蹤系統及跟蹤方法。本發明的技術方案為：一種可擴展的基站陣列，由m行、n列共m×n個基站組成，其中相鄰基站間掃描范圍有重疊，以同一列基站、同一行基站均為直線排列時各基站所處位置為原位。行數和列數同為奇數或同為偶數的基站設置于原位。行數和列數的奇偶不同的基站設置于原位右下方設定的偏移量處。設定的偏移量保證相鄰基站之間掃描范圍有重疊。本發明針對該基站陣列提供了相應的光學跟蹤系統及其跟蹤方法。

技術領域

本發明設計光學跟蹤技術領域，具體涉及一種可擴展的基站陣列、光學跟蹤系統及其跟蹤方法。

背景技術

HTC VIVE由發射器基站和光敏接收器構成。發射器系統可發出周期性光信號對跟蹤區域進行掃描，接收器接收到發射器的掃描信號后，將光信號轉換為數字信號，從而得到接收器相對于發射器的圖像坐標，當一定數量的接收器被掃描后，可利用計算機視覺算法獲得接收器組成的剛體的空間位姿。

HTC VIVE的工作原理具體為：

HTC VIVE的跟蹤系統包含2個發射器基站、1個頭盔顯示器以及2個手柄。頭盔顯示器和手柄上安裝有數十個光敏接收器，當基站的紅外光掃描信號被一定數量的接收器收到時，就能計算出頭盔顯示器和手柄的空間位置，從而實現用戶的位姿跟蹤。其中HTC VIVE的跟蹤系統的組成結構如圖2所示。

雖然接收器只要收到一個基站發射的光信號就能實現跟蹤，但是為了避免遮擋和擴大跟蹤范圍，系統使用了兩個發射器基站，由控制器分配工作時間，以保證同一時間段內只有一個發射器對跟蹤區域進行掃描。對于一個發射器，工作時首先讓其內置紅外LED燈閃爍一次，照亮整個跟蹤區域，接收器收到該信號作為一幀信息的起始，隨后發射器使用面激光器沿X方向對跟蹤區域進行掃描，接收器可記錄下接收到X方向掃描信號與起始信號之間的時間差t₁。隨后發射器再發射一幀起始信號，待接收器接收后，使用面激光器沿著Y方向掃描，接收器可記錄下接收到Y方向掃描信號與該幀起始信號之間的時間差t₂，其中一個發射器工作時的接收器響應波形圖如圖3所示。

圖3中可以看出，起始信號的脈沖寬度比掃描信號的更寬，據此可以區分起始信號和掃描信號。若面激光器的掃描角速度為ω，則接收器在該發射器中的圖像坐標可表示為：

兩個基站在工作時可以通過同步線纜進行連接，以保證兩者信號不會互相干擾，此時兩個發射器一個工作在b模式下，一個工作在a模式下，基站的掃描信號與接收器收到的脈沖信號可用如圖4所示。

由圖4可以看出，b模式基站和a模式基站的同步信號在每個周期都正常發出，且b模式基站同步信號的脈寬在第1個周期較寬而在第2個周期較窄。a模式基站的同步信號脈寬與b模式基站相反，在第1個周期較窄而在第2個周期較寬。b模式基站的掃描信號只在第1個周期工作，而a模式基站的掃描信號只在第2個周期工作。當兩個基站同時工作時，接收器可以根據掃描信號之前的兩個同步信號的寬窄順序判斷該掃描信號為哪個基站發出。以圖4為例，t_bx與t_by對應的掃描信號之前的同步信號脈寬順序為先窄后寬，則該掃描信號由b模式基站發出，t_ax與t_ay對應的掃描信號之前的同步信號脈寬順序為先寬后窄，則該掃描信號由a模式基站發出，由此就可以計算出接收器在2個基站中的圖像坐標。

可以看出HTC VIVE在跟蹤時需要發射器先發出一幀同步掃描信號，然后再依次對水平和垂直方向進行掃描。當多個發射器級聯使用時，為了避免信號干擾，同一時間段內只能讓一個發射器工作，這導致該系統在多發射器級聯使用時的刷新率成倍下降。由于跟蹤區域越大，需要的發射器越多，因此為了保證足夠的跟蹤數據刷新率，目前的HTC VIVE系統只使用兩個發射器，而其跟蹤區域也被限制在5m×5m的空間內。