CN107683420A - 位置跟踪系统和方法 - Google Patents

Abstract

描述了可以用在虚拟现实(VR)/增强现实(AR)应用中的光位置跟踪系统。示例性实现方式包括：一个或多个接收机、一个或多个发射机。示例性发射机包含：两个正交转子，其每一个均发射扇形激光器波束。随着转子按恒定速度旋转来扫描每个波束。示例性光接收机可以相对很小，安装在VR显示器上的方便位置。这些接收机包括：小型光检测器，其可以安装在头戴式VR显示器上。示例性系统通过测量每个扫描波束与每个接收机/检测器相交的时间来确定位置。

Description

位置跟踪系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年11月10日提交的临时专利序号62/077,374和2015年2月27日提交的62/126,358的权益，这两个申请的内容的整体通过引用的方式合并到此。

技术领域

本公开总体上涉及位置跟踪，更具体地，涉及基于光器件的用于特征和特性得到改进的虚拟现实和/或增强的现实应用的位置跟踪系统和方法。

背景技术

在参数(例如跟踪精度、跟踪体积、跟踪标记器、制造成本、用户设置复杂度)方面变化的各种位置跟踪系统和方法是本领域公知的。当前一代的桌面虚拟现实(“VR”)体验通过使用可以接到固定计算机(例如个人计算机(“PC”)、膝上型设备或游戏控制台)或自含的头戴式显示器(“HMD”)而形成。此外，桌面VR体验通常尝试是完全沉浸式的，使得用户的感觉与他们的环境脱离。在通常受限于近似两立方米的跟踪体积中跟踪多个刚性对象(例如HMD、输入棒、桌面几何形状)的六个自由度(“6DOF,six degree of freedom”)位置的系统可以满足关于该技术空间中的广泛各种应用的跟踪要求。然而，为了形成更加沉浸式的VR体验，在保持非常低的延时(例如动作与响应之间近似一毫秒延迟)的同时，要求跟踪系统是精确的(下至一毫米和一度精度)。此外，通常期望跟踪技术应相对易于设置，并且对于普通家庭用户能够承担。

本领域当前公知的特定位置跟踪系统完全或部分依赖于附连到对象的跟踪标记器，然后跟踪所标记的对象。在这些系统中，通常必须通过可以对若干比特的数据进行编码的大型跟踪标记器覆盖受跟踪对象，从而通常仅可以跟踪大型对象。为此，称为“PTAM/SLAM系统”(分别是Positional Tracking and Mapping for Small AR Workspaces(位置跟踪和小型AR工作空间的映射)和Simultaneous Localization and Mapping(同步定位和映射)的缩写)的多数这样的系统将相机定位在HMD上，将跟踪标记器放置在环境的墙壁上。该方法具有若干缺点，例如：其通常要求VR用户通过用大型跟踪标记器覆盖所有观看方向极大地修改他或她的环境的外观；其通常要求用户执行复杂校准设置以映射环境；附连到HMD的跟踪相机通常需要用于精确跟踪的良好透镜，这样通常显著增加HMD的重量。由于在这些实现方式中跟踪标记器在设计方面通常是复杂的，因此通常在PC而非HMD中或附近的板载处理器上执行它们的解码，这样通常增加从相机发送到计算机的数据量、跟踪延时。

计算机视觉算法的进步已经使得可以通过另外使用自然图像/场景特征在受限情形中消除跟踪标记器。遗憾的是，依赖于自然图像特征的当前跟踪算法通常并非足够鲁棒/精确以在一般包含透明、发光、和/或无纹理对象的很多家庭环境中一致地工作。从图像提取、标识自然特征也往往会在计算上是昂贵的。

期望解决本领域中的当前限制。

附图说明

通过示例的方式，现参照附图，这些附图并非按比例。

图1是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的计算设备的示例性示图。

图2是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统的示例性示图。

图3是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统的基站硬件架构的示例性示图。

图4是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统的基站固件架构的示例性示图。

图5是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统的传感器架构的示例性示图。

图6是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统的接收机架构的示例性示图。

图7是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统中的有线同步架构的示例性示图。

图8是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统中的光同步架构的示例性示图。

图9是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的正交双转子光发射机的示例性示图(前视图)。

图10是佩戴可以用于实现本发明特定实施例的各方面的包括光接收机、传感器的头戴式虚拟现实装置的人类用户的示例性示图。

图11是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的正交双转子光发射机的示例性示图(前视图)。

图12是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的正交双转子光发射机的示例性示图(后视图)。

图13是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的正交双转子光发射机的细节的示例性示图(前视图)。

图14是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的转子/发射机架构细节的示例性框图。

图15是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的接收机的示例性示图(前视图)。

图16是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的接收机的示例性示图(后视图)。

图17是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的接收机架构细节的示例性框图。

图18是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的信号处理器板的示例性示图。

图19是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的信号处理器架构的示例性框图。

图20是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的正交双转子光发射机的示例性示图，在示例性实施例中示出其与传统12盎司饮料罐相比的相对大小。

图21是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的光位置跟踪系统中的发射机/接收机配置的示例性示图。

图22是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的具有四个光接收机的头戴式虚拟现实显示器的示例性示图。

图23描述单转子实现方式的一个实施例的各方面。

图24描述单转子实现方式的一个实施例的各方面。

图25描述根据本发明各方面的转子坐标系统的一个实施例的各方面。

图26描述根据本发明各方面的与波束相位角度有关的一个实施例的各方面。

图27描述根据本发明各方面的与波束倾斜角度有关的一个实施例的各方面。

图28a和28b描述根据本发明各方面的与同步脉冲和光束脉冲有关的一个实施例的各方面。

图29描述本发明一个实施例的各方面。

图30描述本发明一个实施例的各方面。

图31描述本发明一个实施例的各方面。

图32描述本发明一个实施例的各方面。

图33描述本发明一个实施例的各方面。

具体实施方式

本领域技术人员应理解，本发明的以下描述仅是说明性的，而非以任何方式进行限制。本发明其它实施例将对于具有本公开的益处的的这些技术人员容易地暗示自身，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在此所定义的普通原理可以应用于其它实施例、应用。因此，本发明不旨在受限于所示实施例，而是符合与在此描述的原理、特征一致的最宽范围。现将详细参照附图所示的本发明具体实现方式。相同标号将贯穿附图、以下描述用于指代相同或相似的部分。

该具体实施方式中所描述的数据结构、代码通常存储在可以是可以存储用于计算机系统使用的代码和/或数据的任何设备或介质的计算机可读存储介质上。其包括但不限于磁和光存储设备(例如盘驱动器、磁带、CD(压缩盘)、DVD(数字多功能盘或数字视频盘))、(具有或没有信号受调制的载波的)传输介质中所实施的计算机指令信号。例如，传输介质可以包括通信网络(例如互联网)。

图1是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的计算设备100的示例性示图。计算设备100可以包括：总线101、一个或多个处理器105、主存储器110、只读存储器(ROM)115、存储设备120、一个或多个输入设备125、一个或多个输出设备130、通信接口135。总线101可以包括：一个或多个导体，其允许计算设备100的各部件之间的通信。处理器105可以包括：任何类型的传统处理器；微处理器；或处理逻辑，其解释并且执行指令。主存储器110可以包括：随机存取存储器(RAM)；或另一类型的动态存储设备，其存储用于处理器105执行的信息和指令。ROM 115可以包括：传统ROM设备；或另一类型的静态存储设备，其存储用于处理器105使用的静态信息和指令。存储设备120可以包括：磁和/或光记录介质、其对应驱动器。输入设备125可以包括：一个或多个传统机构(例如键盘、鼠标、笔、记录笔、手写识别、语音识别、生物计量机构、等)，其允许用户将信息输入到计算设备100。输出设备130可以包括：一个或多个传统机构，其将信息输出到用户，包括显示器、投影仪、A/V接收机、打印机、扬声器、等。通信接口135可以包括：任何类似收发机的机构，其使得计算设备/服务器100能够与其它设备和/或系统进行通信。计算设备100可以基于可以从另一计算机可读介质(例如数据存储设备120)或经由通信接口135从另一设备读取到存储器110中的软件指令执行操作。存储器110中所包含的软件指令使得处理器105执行将稍后描述的处理。替代地，可以替代或结合软件指令使用硬引线电路，以实现与本发明一致的处理。因此，各种实现方式不限于硬件电路、软件的任何特定组合。

在特定实施例中，存储器110包括高速随机存取存储器(例如DRAM、SRAM、DDR RAM、或其它随机存取固态存储器设备)；可以包括但不限于非易失性存储器(例如一个或多个磁盘存储设备、光盘存储设备、闪存设备、或其它非易失性固态存储设备)。存储器110可以可选地包括一个或多个存储设备，其位于远距处理器105。存储器110、或存储器110中的存储设备中的一个或多个(例如一个或多个非易失性存储设备)可以包括计算机可读存储介质。在特定实施例中，存储器110、或存储器110的计算机可读存储介质可以存储以下程序、模块、数据结构中的一个或多个：操作系统，其包括用于处理各个基本系统服务、用于执行依赖于硬件的任务的过程；网络通信模块，其用于将计算设备110经由一个或多个通信网络接口、一个或多个通信网络(例如互联网、其它广域网、局域网、城域网、等)连接到其它计算机；客户机应用，其可以允许用户与计算设备100进行交互。

本发明特定实施例包括光跟踪系统，其旨在用在虚拟现实安装中。具体地说，特定实施例包括空间编码光跟踪技术，其适合于高速、高精度、房间规模多用户对象位置、方位确定(“跟踪”)。特定实现方式包括一个或多个信标发射机，其广播以时变方式在空间上调制的光信号，允许位于受照射的体积中的一个或多个传感器单元确定它们对于每个信标发射机的平面轴承。单个信标可以对传感器给出一个平面轴承。多个信标可以用于允许单个传感器的三维位置确定，刚性受跟踪对象上的多个传感器的阵列允许其方位确定。以光方式确定的位置信号与惯性测量融合，以减少延时，增加位置确定的更新率。并非限制，可以用于实现特定实施例的各方面的头戴式显示器(“HMD”)可以拴接到固定计算机(例如个人计算机(“PC”)、膝上型设备、或游戏控制台)，或替代地，可以是自含的(即，具有全都容纳在单个头戴式设备中的一些或所有感知式输入、控制器/计算机、输出)。

特定实施例使得能够在房间规模体积上用于多个对象(HMD、控制器、等)的位置、方位确定。在特定实现方式中，系统包括一个或多个基站单元，其穿过跟踪体积扫描光信号。受跟踪对象上的光接收机解释该信号，以计算相对于基站的位置、方位。虽然单个基站对于六自由度跟踪是足够的，但多个基站在一些实施例中可能是必要的，以提供用于手机和外设的鲁棒房间规模跟踪。在特定实施例中，光接收机与每个所跟踪的设备上的加速计、陀螺仪惯性测量单元(IMU)配对，以支持低延时传感器融合。

图2是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统(200)的示例性示图。

图3是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统的基于基站微控制器(“基于MCU”)的硬件架构(300)的示例性示图。

图4是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统的基站固件架构(400)的示例性示图。

图5是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统的传感器架构(500)的示例性示图。

图6是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统的接收机架构(600)的示例性示图。

图7是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统中的有线同步架构(700)的示例性示图。

图8是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的位置跟踪系统中的单基站光同步架构(800)的示例性示图。

图9是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的正交双转子光发射机(910)的示例性示图(前视图)。如图9所示，发射机(910)包括：水平转子(920)、垂直转子(930)。因此，根据特定实施例的每个基站包含两个转子，其穿过正交轴上的场景扫描线形波束。在每个扫描周期的开始时，根据特定实施例的基站发射对于所有传感器可见的全向光脉冲。因此，每个传感器通过对同步信号与波束信号之间的持续时间进行定时计算所扫描的体积中的独特角度位置。使用贴附到单个刚性体的多个传感器求解传感器距离、方位。

本发明特定实施例与基于相机的光跟踪系统相比具有大视场(“FOV”)。在相机因其光器件而通常受限于小于90-120度的同时，根据特定实施例的基站可以辐射在所有方向上提供服务的近全向信号。这种增加的FOV允许本发明实施例使得给定空间中的有用跟踪体积最大化，这对于房间规模体积是重要的。此外，因为特定实施例包括空间编码系统，所以它们是相对更可分级的，广播多个用户和对象可以同时使用以计算它们的位置、方位的信号。

可以通过各种配置产生根据特定实施例的发射机中的转子/信标所发射的所编码的和/或空间上时变的信号。一种这样的配置是单个窄光线，其以恒定速率在转子轴平面周围径向地受扫描。通过旋转镜、光线发生器光器件、或旋转光线源在特定实施例中实现该情况。辐射在原理上可以包括任何波长，但对于典型系统的规模，在特定实施例中，可见或近红外光是优选的。

根据本发明实施例的系统的精度取决于光信号的空间调制的精度。因为相对容易测量具有高精度的小的时间比例，所以角度分辨率基于测量随着来自转子的光脉冲的波束扫描通过传感器在其传感器处测量检测时间。当波束的方向是已知的时，在转子发射机处相对于某基准时间进行该时间测量。当与旋转镜角度速度、旋转相位的精度控制组合时，可以采取相对角度的相对精确的测量。

因为激光器二极管所产生的相干光的低发散性、亮度、用于快速调制的容量，所以根据特定实施例，其对于辐射波束源是优选的。在其它实现方式当中，也可以使用非相干光。本领域技术人员应理解，传统发光二极管(“LED”)也可以用于稍微更复杂的光器件。

图10是佩戴可以用于实现本发明特定实施例的各方面的包括光接收机、传感器(1030a、1030b、1030c、等)的头戴式虚拟现实装置(1020)的人类用户(1010)的示例性示图。

图11是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的正交双转子光发射机(1130)的示例性示图(前视图)。如图9所示，发射机(1130)包括：水平转子(1120)、垂直转子(1140)。激光二极管(1150、1150)或其它合适的光源将光发射到位于旋转转子(1120、1140)中的每一个内的镜中。

图12是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的正交双转子光发射机(1130)的示例性示图(后视图)，示出用于实现贯穿该文献对于特定实施例所描述的功能性的基站电子电路板(1210)的位置、总体布局。

图13是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的正交双转子光发射机的细节的示例性示图(前视图)。图13中所描述的项包括先前已经参照图11和12详细描述的项的放大版本。

图14是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的转子/发射机架构细节(1400)的示例性框图。

图15是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的接收机(1500)的示例性示图(前视图)，示出示例性前侧接收机电路高级板布局。

图16是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的接收机(1600)的示例性示图(后视图)，示出示例性后侧接收机电路高级板布局。

图17是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的接收机架构细节(1700)的示例性框图。

图18是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的信号处理器板布局(1800)的示例性示图。

图19是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的信号处理器架构(1900)的示例性框图。

图20是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的正交双转子光发射机(2120)的示例性示图，在示例性实施例中示出其与传统12盎司饮料罐(2130)相比的相对大小。图20包括正从发射机(2120)发射的水平光束(2121)、垂直光束(2122)的概念化描述。可以包括以实现本发明的各方面的一个或多个光束的定时、同步取决于每个特定实现方式的具体要求。

图21是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的光位置跟踪系统中的发射机/接收机配置的示例性示图。如图21中所描述的那样，示例性光位置跟踪系统包括基站(2120)，其穿过跟踪体积扫描光信号(2110)。取决于每个特定实现方式的要求，可以包括多于一个的基站，每个基站可以生成多于一个的光信号。例如，虽然单个基站通常对于六自由度跟踪是足够的，但多个基站在一些实施例中可能是必要的，以提供用于手机和外设的鲁棒房间规模跟踪。光接收机(例如1030)被包括到头戴式虚拟现实装置(1020)、或其它受跟踪对象中。在特定实施例中，光接收机与每个所跟踪的设备上的加速计、陀螺仪惯性测量单元(“IMU”)配对，以支持低延时传感器融合。如图21所示，描述标准12盎司苏打或啤酒车(2130)以提供比例感。

根据特定实施例的每个基站(2120)包含两个转子，其穿过正交轴上的场景扫描线形波束(2110)。在每个扫描周期的开始时，根据特定实施例的基站(2120)发射对于所有传感器可见的全向光脉冲(“同步信号”)。因此，每个传感器通过对同步信号与波束信号之间的持续时间进行定时计算扫描体积中的独特角度位置。使用贴附到单个刚性体的多个传感器求解传感器距离、方位。

图22是可以用于实现本发明特定实施例的各方面的具有四个光接收机(1030a、1030b、1030c、1030d)的头戴式虚拟现实显示器(1020)的示例性示图。

根据特定实施例的传感器包括光电设备，其能够检测来自转子的调制光。对于可见或近红外(“NIR”)光，在特定实施例中，硅光电二极管、合适的放大器/检测器检测是优选的。因为环境可能包含具有与基站信号相似的静态和时变信号(光噪声)，所以有帮助的是，以这样的方式调制基站光：使得其易于与任何干扰信号区分，和/或从除了基站信号的辐射之外的辐射的任何波长过滤传感器。

在特定实施例中，假设所照射的体积将极大地没有反射对象、表面。反射可以对于传感器系统产生寄生信号。可以通过在基站处使用圆偏振辐射源，在传感器处使用合适的匹配圆偏振滤波器在特定实施例中减少或消除一阶反射的影响。

根据特定实施例的一个简单传感器实现方式是光电二极管、放大器、分立式包络检测器、具有相对小滞回量的快速比较器。见例如图5和17。每当来自基站的波束扫描通过传感器时，该实现方式就将数字脉冲传送到下游接收机电路。

根据特定实施例的接收机是信号处理系统，其从传感器取得信号，从基站取得定时基准数据，使用内部高精度时钟以对信号转变加时间戳。该定时数据与来自IMU的惯性信号组合，通过合适的接口总线(例如通用串行总线、或USB)或经由无线链路发送到主机计算机，从而基站/传感器轴承角度信息可以得以提取、利用，以确定传感器/接收机组件的位置、方位。见例如图6和19。

在特定实施例中，如果接收机也获知系统中的转子的绝对相位，则对于轴承确定可以仅利用传感器处所看见的、接收机所解码的光脉冲。为了保持基站发射机与接收机之间的同步，取决于每个特定实现方式的要求，可以使用很多机制。

根据特定实施例的一个这样的机制包括：有线耦合基站发射机和接收机。见例如图7。因为每个转子已经具有用于相对于发送时基控制转子的位置的绝对相位基准检测器，所以该示例性同步机制相对易于实现。然而，因为来自每个转子的基准信号必须对系统中的每个接收机展开(即，利用“n乘m”有线连接拓扑，其中，“n”表示转子的数量，“m”表示接收机的数量)，所以该机制是相对较不可分级的。甚至关于所同步的基站发射机，因为控制环路通常不能完全校正转子的相位的小的变化，所以每个单独转子的真实绝对相位漂移应传递到接收机。在特定实施例中，简单地通过一个有线传递时基时钟将导致服务质量的损失，但这对于一些应用可以是可接受的。

另一示例性同步机制实现方式以无线方式将同步信息传递到接收机。见例如图8。因为根据特定实施例的接收机已经包括多个光传感器，所以可以在没有附加硬件(例如，没有RF接收机/收发机)的情况下关于同步利用这些传感器。在特定实施例中，基本宽度编码的全向广播载波脉冲序列闪速系统适合于单基站系统。特定实施例中的来自基站的基准信号可以直接(在绝对转子相位处)触发同步突发，接收机可以经由脉冲宽度的观测确定指示哪个转子基准。该实现方式比有线同步实现方式远更不复杂，在特定实施例中遭受相同限制。例如，该实现方式在特定实施例中不能传递多于两个的转子的绝对相位，其通常不能至少不以相对大的数据率传递任何附加信息。

在根据特定实施例的多基站系统中，每个转子的绝对相位传递到接收机，以校正转子相位漂移/噪声、关于跟踪坐标系统的基站的配置、对信标功能性的非理想方面建模的校准数据。

特定实施例包括基站，其包含一个外壳中正交地安装的两个旋转镜转子。镜通过受控于微控制器中所实现的精度锁相环的光位置检测由3相可变频率无刷DC电机驱动。微控制器还管理激光器选通信号。激光器在若干MHz处受幅度调制，以允许传感器拒绝除了来自基站的信号之外的任何信号。每个基站包含转子的角度频率锁定到的精度时钟。两个转子扫描交替地照射跟踪的区域的180度异相。

根据特定实施例的光传感器包括中等面积硅光电二极管，其输出信号由分立式双极结型发射机(“BJT”)放大器放大。根据特定实施例，接收机处所看见的信号随着转子波束扫描通过它是子载波RF调制的高斯突发。该RF脉冲序列受包络检测，成形，运行通过电平比较器，以提取跨越波束照射传感器的时间的脉冲。谨慎地设计电路，从而边沿位置精确地表示波束的通过，而无论传感器相对于波束源的方位如何。

根据特定实施例的接收机包括高速数字日志器，其精确地对出自传感器信道的边沿、在基站处发源的基准信号加时间戳。使用小型现场可编程门阵列(“FPGA”)、微控制器实现它。微控制器管理高速FPGA前端、惯性单元，封装数据流，以用于通过合适的接口总线(例如USB)传送回到主机计算机，以用于处理。

在特定实施例中，系统的各个部分对系统的性能具有相对大的影响。虽然系统的多数部分可以包括没有自身的特定精度的商用商品部分，但谨慎地组装它们，从而它们一起相对于系统成本实现高性能。

在特定实施例中，基站发射机包含最多的精度部分。根据特定实施例的旋转镜、光线发生器组件包括通过大转动惯量制成为相对重的定制加工的部分，从而促进精度扫描速度控制。特定实施例中的光线发生器光器件包括注塑成型聚合物部分，但实现一毫弧度(“1mrad”)发散性、120度扇形角度。根据特定实施例的翻转器镜包括第一表面镜，但展现相对低的表面质量(即若干波长)。根据特定实施例的转子组件受具有相对高的机械精度的现货硬盘主轴电机驱动。根据特定实施例的光转子位置感测系统包括传统时隙断续器传感器。通过在微控制器中的数字处理之前谨慎地设计模拟信号处理在特定实施例中改进该位置感测系统的可重复性。特定实施例中的多相电机驱动器针对优异性能得以选择，但可以包括传统部分。特定实施例中的激光器二极管包括适度功率(例如150mW)，但无需展现特别高的性能，可以包括现货光器件。

可以通过标准类目项部分实现根据特定实施例的接收机。也可以通过广泛可用的现货部分实现特定实施例中的传感器。针对良好灵敏度、离轴性能选择特定实施例中的传感器光电二极管。特定实施例中的IMU可以实现为公共但相当高质量单元，蜂窝电话中所使用的典型种类的微机电系统(“MEMS”)IMU设备。

虽然关于跟踪可以利用单个基站，但在特定实施例中，尤其在多用户情形中，使用多个基站是优选的。在特定实施例中，一起同步基站简化跟踪计算。一种同步解决方案包括有线同步信号，但在特定实施例中，无线解决方案可能是更期望的。全向光信号包括一种这样的可用解决方案。

取决于已经描述的每个特定实现方式的要求，基站基准信号可以经由缆线连接传送到跟踪接收机，或同步、基准数据传送可以通过无线方式得以传送。

例如，使用不同光波长、不同幅度调制频率、和/或不同普通幅度/相位调制(包括基站ID传输、光信号中的当前转子相位信息)的基站取决于每个特定实现方式的要求可以作用于接收机处的信标信号的消歧。

使用光通信可能要求传感器是相对更复杂的，不仅为了跟踪的目的分离光子载波脉冲的包络，而且还发射接收机可以用于在光数据突发中恢复数据的数据分片数字流。

一旦传感器解调光子载波上所施加的数据，就可以通过用对每个信标特定的码调制信标转子激光器在特定实施例中作用于信标消歧。该操作可以是短暂的，足够短以在该信标的扫描波束照射传感器的小的时间窗口内配合。这样可能以与系统噪声约束交互的方式约束子载波频率选取、范围、波束发散性/传感器面积。这也可能没有结果，因为只要一些信标由系统消歧，在多数情况下就可以确定接收机的大体位置，取决于每个特定实现方式的要求，这可以是足够的。

特定实施例中的全向同步发射的光覆盖可以覆盖与转子扫描的相同区域，是足够的功率，以具有相同或更大的范围。由于与波束化转子信号相比的全向源的脉冲功率可能是显著的，因此这种范围要求在特定实现方式中可能受限。幸亏占空周期通常是低的，这样允许利用相对经济的设备。

对于光数据突发同步系统，在特定实施例中，利用集中式同步集线器(“同步集线器”)。特定实施例中的同步集线器包含系统时基，生成系统中的所有信标将它们的转子相位锁定到的同步信号。特定实施例中的同步集线器还关于系统时基测量实际转子的基准信号所指示的实际转子相位，连同校准、星座配置信息一起发送转子相位校正信息(以用于前半帧)作为光同步突发的部分。

除非光同步脉冲使用不同载波频率，传感器设计为(通过载波或码复用)分离同步、转子信号，否则同步脉冲消耗信标可以照射的角度空间的某部分。只要数据突发是短的，该角度代价在特定实施例中就可以是小的。在特定实施例中使用带外通信方法(例如RF)可以比在传感器处的窄滤波更简单、更廉价于实现。光同步闪速系统中的码间干扰路径延迟可以出现在接收机处。可以通过空间冗余度作用于误差恢复。

特定实施例中的每个基站包含每个转子的角度频率锁定到的精度时钟。替代地，可以注入包括另一基站中、或同步集线器中所生成的信号的外部信号，以允许一起锁定多个基站。为了简化接收机处的消歧，在特定实施例中，两个转子扫描交替地照射跟踪的区域的180度异相。

特定实施例中的传感器包括中等面积硅光电二极管，其输出信号由分立式BJT放大器放大。接收机处所看见的信号随着转子波束扫描通过它在特定实施例中是子载波RF调制的高斯突发。该RF脉冲序列受包络检测，成形，在特定实施例中运行通过电平比较器，以提取跨越波束照射传感器的时间的脉冲。在特定实施例中设计电路，从而边沿位置精确地表示波束的通过，而无论传感器相对于波束源的方位如何。

特定实施例中的接收机是高速数字日志器，其精确地对出自传感器信道的边沿、在基站处发源的基准信号加时间戳。使用小型FPGA和微控制器实现它。微控制器管理高速FPGA前端、惯性单元，封装数据流，以用于通过USB传送回到主机计算机，以用于处理。

机械扫描的信标转子在特定实施例中可以潜在地通过其它技术代替，或可以通过相似方式运作，但辐射比单个扫描波束更复杂的信号。

特定实施例中用于扫描的MEMS或衍射光元件可以有助于减少基站的大小和功耗，但可能在简单性、线性、扫描角度方面具有一些约束。在特定实施例中，使用空间正交码而非单个波束允许在传感器/接收机处更容易区分单独信标。并非限制，可以使用机械扫描、或开关投射源实现这些码。

可以经由若干方法(例如光调制载波的相位测量)检测距信标的距离。

精确地确定空间中的对象的位置、方位是包括头戴式虚拟现实显示器、运动捕获系统的很多计算机接口设备的重要方面。在此所描述的示例性系统使用精确地定时的旋转激光器光线波束投影器，以测量对位于待跟踪的对象上的光传感器的阵列的角度。特定实施例中的来自这些发射机站中的一个或多个的角度信息可选地与来自与受跟踪对象上的光传感器阵列共同定位的IMU的惯性测量融合，以提供低延时、高分辨率、其位置(和运动)的高精度测量。特定实施例中的安装在发射机站上的传感器单元允许系统确定其自身的配置，波束中信令和发射机与受跟踪对象之间的带外(有线或RF)通信的组合允许自举系统，简化其校准。

特定实施例中的与待跟踪的设备上的光检测器共同定位的惯性传感器允许传感器融合滤波器以按任意时间间隔产生高速率、高质量位置估计。

来自所跟踪的体积中的高度反射的对象(例如镜)的反射可以产生要处理的用于系统的混杂外来信号。特定实施例中的求解对象姿态中所使用的算法拒绝多数干扰反射，使用扫描波束和传感器的圆偏振以拒绝所反射的信号在特定实施例中可以减少该问题的显要性。然而，通常，在此所描述的示例性系统已经凭借其几何形状非常耐受干扰反射。

封闭是所有光跟踪技术共有的问题，通过在跟踪体积周围提供附加发送站在特定实施例中最容易受管理。特定实施例中的站冗余度不仅提供跟踪接收机的更好的可视性，而且还将更多信息关于超定解提供给跟踪求解器。

可以通过待跟踪的对象上的所扫描的发射机、固定接收机星座以内外(而非外内)方式实现特定实施例中的根据本发明各方面的系统。替代地，可以扫描固定接收机视场，可以检测全向移动发射机。关于这些系统双重方法存在惯性、自举、功率、链路预算约束。

取决于每个特定实现方式的要求，可以通过很多方式形成所扫描的光束。特定实施例使用旋转镜/棱镜、光线发生器光元件。替选方法使用MEMS镜、旋转多面镜、光栅、其它全息技术。在特定实施例中，波束辐射无需是相干的。波束辐射波长可以几乎是任何色彩，但不可见近IR在特定实施例中是方便的，对应于相对廉价、容易商用的硅光电二极管的峰值波长灵敏度。

在特定实施例中，仅需要单个旋转转子，以计算相同两个角度轴承。通过使用投影图案，这是可能的。

根据单转子实现方式的方案1(见图23)，而非投影单个波束，单转子在“V”图案中穿过场景投影两个倾斜光线。因此，对于单个转子的每个扫描，每个传感器潜在地接收两个碰撞(而非一个，如双转子系统中那样)。通过对从转子扫描的开始到转子碰撞的中心的持续时间进行定时计算相对于转子的水平角度分量(theta)。通过测量两个转子碰撞之间的时间差计算相对于转子的垂直角度分量(phi)。随着穿过场景的“V”扫描，在“V”图案的尖端附近，两个传感器碰撞将在时间上靠近在一起，而在场景中的相反垂直高度处，传感器两个碰撞将成比例地更远离开。因此，测量(来自V图案的每个“臂”的)各碰撞之间的时间是垂直传感器位置的隐式测量。

单转子实现方式的方案2促进转子设计，其中，从单个转子上的不同输出端口发射多于两个或更多个的线形波束(见图24)。如果这些输出端口投影相对于彼此相互倾斜的光线，则可以使用平面交点计算相对于传感器的来自基站的两个角度(phi、theta)。除了依次穿过场景单独地投影V的每个臂之外，在概念上，这与方案1相似，均从单个转子的相对侧得以发射。在特定实现方式中，用于方案2的物理转子设计可以比方案1中更容易地可实现。因此，只要各波束在一些有关场景中相交，不退化(即，只要各波束相对于彼此足够倾斜，以提供跟踪坐标系统基础的两个正交元件中的信息化)，无论特定实施例中的转子的数量如何，就都无需光束的严格正交性。

在特定实施例中，激光器二极管和电子器件可以嵌入在转子中，经由旋转式变压器得以供电。

在特定实施例中，可以包括双输出激光器二极管，其从激光器二极管管芯的每个端发射光，可以更精确地与扇形透镜对准。

特定实施例实现转子相位的0至180度之间的波束中心角度，以消除模糊性，允许360度覆盖。

特定实施例使用本领域技术人员公知的各种方案实现同步偏移，以消除可以与带内光同步关联的相位空间中的盲点。

基站消歧的一个实施例通过稍微相位偏移(稍微比最长同步脉冲的持续时间更长)将两个或更多个基站锁定在一起以防止同步碰撞，旋转各基站之间的跟踪体积的激光器扫描。在扫描的每个帧内，所有基站发送同步脉冲，以确保接收机可以保持锁定，促进用于每个基站的标识、校准信息的传输。然而，在特定实施例中，在任何特定帧内，仅集合中的基站之一通过其激光器扫描跟踪体积。

各基站之间的同步的一个实施例可以是光。如果与受跟踪对象中所使用的传感器另外相同的光传感器放置在从属基站内，则从属站可以检测、锁定到主控基站的同步脉冲发射，调整它们自身的时基以匹配。该方法可以在先前所描述的时间交替方法中得以利用，或用在更普通的系统中。

在所有基站具有光或无线电收发机的实施例中，可以通过分布式方式实现先前所描述的同步集线器，其中，所有基站参与，而无需集中式同步集线器设备、关联缆线连接。

图25描述根据本发明各方面的转子坐标系统和架构(2500)的一个实施例的各方面。转子(2503)绕着轴(2501)(例如，在逆时针方向上)旋转...。特定实施例包括两个光输出端口(2504a、2504b)，其中的每一个发射相对于彼此成角度的光束。还发射同步基准(2502)，如上所述。

图26描述根据本发明各方面的与波束相位角度有关的一个实施例(2600)的各方面。图26提供图25中所描述的实施例的顶视图。

图27描述根据本发明各方面的与波束倾斜角度(T_L，2715)有关的一个实施例(2700)的各方面。图27提供图27中所描述的实施例的侧视图。

图28a和28b描述根据本发明各方面的与同步脉冲、光束脉冲有关的特定实施例(2800a、2800b)的各方面。图28a和28b描述图25中所描述的实施例作为时间的函数所发射的光脉冲。

图29描述本发明一个实施例(2900)的各方面。转子2950例如在逆时针方向上旋转。从激光器源2910发射的光束分离，重定向在转子2950内，光的两个波束/平面(2930、2960)从转子2950上的两个输出端口(2955a、2955b)发射。如图29所示，光束(2930、2960)在点2935处相交。

图30描述本发明实施例的各方面。在一个实施例(3000a)中，转子(3001a)逆时针旋转，包括同步基准标记端口(3020a)、正交地定位的波束输出端口3010a、3010b。在另一实施例(3001a)中，转子(3001b)逆时针旋转，包括同步基准标记端口(3020a)、相反地定位的波束输出端口3010a、3030b。

图31描述本发明一个实施例(3100)的各方面，示出(在视图的顶部处)到来光可以如何分离，定向到转子上的多个输出端口的示例性版本。

图32描述描绘旋转控制信号发生器(3260)如何作用于包括多个激光器模块(3210a、3210b)、输出端口(3201、3220)的转子(3230)的旋转的一个实施例(3200)的各方面。

图33描述本发明另一实施例(3300)的各方面，示出具有多个光束输出端口的转子3340。

虽然以上描述包含很多具体情况，已经在附图中描述、示出特定示例性实施例，但应理解，这些实施例对宽泛发明仅是说明性而非限定性的，由于如上所述，各种其它修改可以对于本领域技术人员产生，因此本发明不限于示出、描述的特定约束、布置。本发明包括来自在此所公开的不同种类和/或实施例的要素的任何组合或部分组合。

Claims (2)

1.一种光跟踪系统，包括：

可移动受跟踪对象，其包括一个或多个刚性附连的光传感器；

一个或多个光发射机，其中，每个发射机包括两个转子，在重复扫描周期期间正交轴上穿过跟踪体积扫描两个光束，每个发射机在每个所述扫描周期的开始时发射可由所述光传感器检测到的全向同步光脉冲；并且所述光传感器中的每一个通过计算检测所述同步脉冲与检测所述光束之间的逝去时间来计算所述跟踪体积内的角度位置。

2.一种光跟踪系统，包括：

可移动受跟踪对象，其包括一个或多个刚性附连的光传感器；

一个或多个光发射机，其中，每个发射机包括一个转子，在重复扫描周期期间在相对于彼此倾斜的上穿过跟踪体积扫描两个光束，每个发射机在每个所述扫描周期的开始时发射可由所述光传感器检测到的全向同步光脉冲；并且所述光传感器中的每一个通过计算检测所述同步脉冲与检测所述光束之间的逝去时间来计算所述跟踪体积内的角度位置。