使用一個或多個磁場的運動追蹤系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]當(dāng)前追蹤人員頭部或其它對象的位置和取向的方法是復(fù)雜和昂貴的?，F(xiàn)有磁性頭部追蹤或運動追蹤系統(tǒng)要求磁場的主動發(fā)射。磁性發(fā)射器通常是用電流激勵(energize)以產(chǎn)生磁場的三個線圈。這要求敷設(shè)電纜和復(fù)雜的驅(qū)動電路。三個線圈一次一個相繼地或者用三個不同的頻率被激勵。
[0002]已經(jīng)進(jìn)行嘗試來僅使用地球的磁場和磁力計追蹤人員頭部，但是這具有嚴(yán)格的限制，因為單獨從地球的磁場矢量得到所有三個旋轉(zhuǎn)(方位角、仰角和滾動)是不可能的。
[0003]因此，存在對用于商業(yè)和軍事應(yīng)用兩者的更簡單和較不昂貴的追蹤系統(tǒng)的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]提供了一種用于追蹤對象的運動的系統(tǒng)和方法。系統(tǒng)包括被配置成生成第一靜態(tài)磁場的至少第一磁源，其中第一磁源被固定在第一坐標(biāo)框架中，以及配置成位于對象上并且檢測第一靜態(tài)磁場的多個磁性傳感器。磁性傳感器位于相對于第一坐標(biāo)框架可移動的第二坐標(biāo)框架中。處理器操作用于從磁性傳感器接收磁場數(shù)據(jù)。操作性地耦合到處理器的存儲器單元被配置成存儲針對第一坐標(biāo)框架定義的磁場模型或磁場數(shù)據(jù)庫，以及針對第二坐標(biāo)框架定義的具有不確定性的磁性傳感器測量模型。處理器基于存儲在存儲器單元中的磁場數(shù)據(jù)和其它信息來計算和輸出對象的已估計位置和取向。
【附圖說明】
[0005]從下面參考附圖的描述，本發(fā)明的特征對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得顯而易見。應(yīng)該理解附圖僅描述典型的實施例并且因此不被認(rèn)為是在范圍方面的限制，本發(fā)明將通過使用附圖來用另外的特征和細(xì)節(jié)被描述，其中:
[0006]圖1是圖示出根據(jù)一個實施例的運動追蹤系統(tǒng)的示意圖；
[0007]圖2是根據(jù)一個實施例的用于運動追蹤系統(tǒng)的設(shè)置方法的框圖；
[0008]圖3是根據(jù)一個實施例的用于在運動追蹤系統(tǒng)中使用的估計方法的流程圖；
[0009]圖4A-圖4C是圖示出根據(jù)一個實施例的用于運動追蹤系統(tǒng)的示例性設(shè)置的示意圖；以及
[0010]圖5是圖示出根據(jù)另一個實施例的用于運動追蹤系統(tǒng)的示例性設(shè)置的示意圖。
【具體實施方式】
[0011]在下面的詳細(xì)描述中，充分詳細(xì)地描述實施例以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。應(yīng)該理解可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下利用其它實施例。因此，下面的詳細(xì)描述不應(yīng)被理解成限制意義。
[0012]提供了運動追蹤系統(tǒng)和方法，其采用一個或多個磁場來追蹤人員頭部或其它對象的位置和取向。在本系統(tǒng)和方法中，由磁源(例如一個或多個永久磁鐵、或用直流(DC)驅(qū)動的線圈)生成一個或多個靜態(tài)磁場。
[0013]磁源生成通常90度分開的具有不同取向的軸的偶極場。偶極場的交叉創(chuàng)建唯一一組場梯度。用多個三軸磁性傳感器來感測DC磁場，例如包括非共線接收器的三接收器三元組。接收器可以是磁阻磁力計，或者能夠準(zhǔn)確地測量DC磁場的任何其它類型接收器。接收器的幾何位置可以相對于彼此固定或可變。
[0014]在一個實施例中，本系統(tǒng)采用生成DC磁場的兩個或更多偶極，其由能夠感測DC磁場的三個或更多接收器三元組感測。接收器三元組可以例如被安裝在頭部安裝顯示器、頭盔或頭帶上。
[0015]在多個接收器三元組在DC磁場內(nèi)移動時，感測并且可以分析唯一場梯度以確定每個傳感器三元組的x、y和z位置。一旦已知每個接收器三元組的位置，可以確定追蹤系統(tǒng)的傳感器組(suite)的角度取向，包括方位角、仰角和滾動。在一個實施例中，這允許追蹤系統(tǒng)確定人員頭部或其它對象的位置和取向兩者。
[0016]本追蹤系統(tǒng)的簡單導(dǎo)致更低的成本并且允許該系統(tǒng)在對其中存在大量金屬的其它系統(tǒng)很大程度上不實用的環(huán)境中使用，其可以影響AC磁性或脈沖DC磁性系統(tǒng)。因此，本系統(tǒng)可以在飛行器、坦克、裝甲車輛、消費者可穿戴顯示器、用于輪椅限制用戶的運動指示、以及其它商業(yè)或軍事應(yīng)用中實施。
[0017]本系統(tǒng)也確實不具有光學(xué)追蹤器具有的弱點，因為它對于干涉光源不受影響。此夕卜，本方法避免了現(xiàn)有的AC或脈沖DC系統(tǒng)在其中存在金屬的環(huán)境中的渦流問題。
[0018]圖1圖示出根據(jù)一個實施例的運動追蹤系統(tǒng)100。追蹤系統(tǒng)100被配置成追蹤其中可能存在磁性扭曲的感興趣體積104內(nèi)(諸如，例如飛行器的座艙中)的對象102。追蹤系統(tǒng)100包括第一磁源108，其被配置成例如由永久磁鐵或DC電磁鐵生成第一靜態(tài)磁場110。多個磁性傳感器112(例如接收器三元組)位于對象102上并且被配置成檢測靜態(tài)磁場110。如下文進(jìn)一步描述的，磁源108被固定在第一坐標(biāo)框架中，并且當(dāng)對象102移動時磁性傳感器112位于相對于第一坐標(biāo)框架可移動的第二坐標(biāo)框架中。磁性傳感器112在對象上的幾何位置可以相對于彼此被固定或可變。
[0019]處理器單元114被配置成從磁性傳感器112接收磁場數(shù)據(jù)并且與存儲器單元116進(jìn)行操作通信。處理器單元114基于來自磁性傳感器112的磁場數(shù)據(jù)和存儲在存儲器單元116中的其它信息來計算和輸出對象102的估計位置和取向。
[0020]圖1還圖示出其中采用兩個磁源的另外的實施例。因此，被配置成生成第二靜態(tài)磁場120的第二磁源118被定位成與第一磁源108分開固定的距離(d)。磁源108和118被配置成生成具有不同取向的軸的偶極場。磁源108和118允許系統(tǒng)100以高達(dá)六個自由度來追蹤對象102的運動。
[0021]圖2是用于運動追蹤系統(tǒng)的磁源、磁性傳感器、以及坐標(biāo)的設(shè)置方法200的功能框圖。最初，定義用于追蹤的坐標(biāo)框架，例如坐標(biāo)框架A和坐標(biāo)框架B(相對于框架A的追蹤框架B)(塊210)。然后設(shè)置固定在坐標(biāo)框架A中的至少一個磁源(塊212)。還設(shè)置位于坐標(biāo)框架B中的磁性傳感器(塊214)。例如，在用于飛行器的飛行員頭部追蹤系統(tǒng)中，飛行器FSBL WL框架(參見圖4B)對應(yīng)于坐標(biāo)框架A，并且O’X’Y’Z’傳感器坐標(biāo)(參見圖4C)對應(yīng)于坐標(biāo)框架B。然后在坐標(biāo)框架A中定義磁場模型或磁場數(shù)據(jù)庫(塊216)。在坐標(biāo)框架B中定義具有不確定性的磁性傳感器測量模型(塊218)。
[0022]圖3是用于在本運動追蹤系統(tǒng)中使用的估計過程300的流程圖。進(jìn)行框架B在框架A中的位置和取向的初始猜測(塊310)。然后計算框架B在框架A中的位置和取向的估計(塊312)。然后計算傳感器在框架A中的位置和取向的估值(塊314)。然后確定傳感器在框架A中的估計位置處的靜態(tài)磁場的估計(塊316)。還獲得靜態(tài)磁場的傳感器的真實測量(塊318)。進(jìn)行已估計靜態(tài)磁場與靜態(tài)磁場的傳感器的真實測量的比較，以確定已估計靜態(tài)磁場是否處在接受閾值范圍內(nèi)(塊320)。
[0023]如果被估計的靜態(tài)磁場是不可接受的，則運行標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化搜索算法(塊322)，并且通過返回到塊312來重復(fù)方法300以再次估計框架B在框架A中的位置和取向。優(yōu)化搜索算法的示例為列文伯格-馬夸爾特(Levenberg-Marquardt)技術(shù)，如對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將顯而易見的。如果已估計靜態(tài)磁場在塊320處是可接受的，則輸出框架B的已估計位置和取向(塊324)。
[0024I圖4A-4C圖示出根據(jù)一個實施例的用于運動追蹤系統(tǒng)400的示例性設(shè)置。如圖4A中所示，一對磁偶極410和412被安裝在彼此分開的固定距離(d)處，例如在飛行員將就坐的地方的前面的飛行器的座艙中。磁偶極410被配置成生成第一靜態(tài)磁場420，并且磁偶極412被配置成生成第二靜態(tài)磁場422。多個磁性傳感器430、432和434位于對象436(例如飛行員頭部)上，并且被配置成檢測靜態(tài)磁場420和422。
[0025]磁偶極410和412可以定位在用于飛行器430的FS-BL-WL(XYZ)坐標(biāo)中，例如圖4B中所描繪的。在一個實施例中，磁偶極410和412沿著飛行器BL軸位于離彼此固定距離處。在此實施例中，磁偶極410具有它的與飛行器FS軸對準(zhǔn)的磁性z軸，并且磁偶極412具有它的與飛行器WL軸對準(zhǔn)的磁性z軸。磁性傳感器430、432和434位于傳感器坐標(biāo)O’X’ Y’ Z’(例如，飛行員的頭部)中，例如圖4C中所示。
[0026]當(dāng)系統(tǒng)400針對飛行員頭部追蹤被實施時，飛行員的頭部以在磁偶極410的坐標(biāo)中定義的高達(dá)六個自由度自由移動。這允許以高達(dá)六個自由度來測量飛行員的頭部的位置和取向。
[0027]圖5圖示出用于根據(jù)另一個實施例的運動追蹤系統(tǒng)500的示例性設(shè)置。磁偶極510被配置成生成靜態(tài)磁場520。多個磁性傳感器530、532和534位于對象(例如飛行員的頭部)上，并且被配置成檢測靜態(tài)磁場520。磁偶極510被定位在磁場坐標(biāo)OXYZ中，例如機(jī)身坐標(biāo)。定義傳感器坐標(biāo)O’X’Y’Z’，例如頭部傳感器坐標(biāo)。磁性傳感器530、532和534位于傳感器坐標(biāo)O’X’Y’Z’中。
[0028]在運動追蹤系統(tǒng)500的操作期間，傳感器坐標(biāo)O ’ X ’ Y ’ Z ’在磁場坐標(biāo)OXYZ空間中移動和旋轉(zhuǎn)。傳感器坐標(biāo)的位置由在坐標(biāo)OXYZ中的它的原點O ’的位置(XYZ)定義。傳感器坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度(姿態(tài))由關(guān)于坐標(biāo)OXYZ的歐拉角(phi，theta，psi)定義。傳感器在坐標(biāo)OXYZ中的位置可以從它們在傳感器坐標(biāo)O’X’Y’Z’中的位置、原點O’的位置(XYZ)、以及歐拉角導(dǎo)出。傳感器的位置可以由仰角(el)和方位角(az)進(jìn)一步定義。感測磁場是VxVyVz (在傳感器坐標(biāo)011’2’中定義)，并且可以使用歐拉角將其轉(zhuǎn)換成BxByBz (其在坐標(biāo)O