本發(fā)明涉及人機(jī)交互領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種動作捕捉系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)等技術(shù)近年來因?yàn)楦鞣矫婕夹g(shù)漸漸成熟以后形成新產(chǎn)品的熱點(diǎn)領(lǐng)域。因?yàn)檫@些技術(shù)可以給人帶來更多維度的感官體驗(yàn)，因此這些領(lǐng)域里的人機(jī)交互也是當(dāng)前業(yè)界研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。在這個領(lǐng)域內(nèi)最重要的技術(shù)就是動作捕捉技術(shù)，通過該技術(shù)獲取頭戴顯示器和人機(jī)交互裝置的空間位置和空間姿態(tài)才能實(shí)現(xiàn)接近真實(shí)的VR體驗(yàn)。

現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案：

方案一：參考附圖1，HTC VIVE的Lighthouse技術(shù)利用了機(jī)械旋轉(zhuǎn)的X,Y軸線掃激光來掃描玩家的活動空間，頭盔以及控制器安裝有數(shù)量非常多的光敏器件，通過測量掃描的時間差來重建頭盔和控制器的空間位置和姿態(tài)。

方案二：參考附圖2，Oculus的主動式光學(xué)定位技術(shù)，利用頭戴顯示器的結(jié)構(gòu)上設(shè)置的LED以特定的亮度分布和點(diǎn)亮順序，利用圖像識別重建頭盔的三維位置，同時頭戴顯示器內(nèi)還設(shè)置有姿態(tài)檢測裝置來進(jìn)行追蹤輔助。

方案三：參考附圖3，SONY公司的PlayStation Move采用的是雙目相機(jī)拍攝不同顏色的光球來進(jìn)行控制器的追蹤。

現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)：Lighthouse需要高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件，會產(chǎn)生較大的機(jī)械振動，會導(dǎo)致定位數(shù)據(jù)抖動，而且因?yàn)闄C(jī)械磨損壽命會有問題。另一方面，為了得到全向的定位需要兩個基站聯(lián)合定位，成本高，調(diào)試麻煩，對安裝環(huán)境有要求。Oculus的主動光學(xué)定位依賴攝像頭的幀率，需要在不同的幀識別紅外LED的狀態(tài)，因此可以追蹤的點(diǎn)數(shù)非常有限。SONY的雙目光球系統(tǒng)追蹤范圍小，響應(yīng)慢，用戶體驗(yàn)不佳。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在缺陷，本發(fā)明提供一種動作捕捉系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種動作捕捉系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：定位基站和被追蹤設(shè)備，其中，

所述定位基站包括第一射頻收發(fā)器和至少三個超聲波發(fā)射器；

所述被追蹤設(shè)備包括第二射頻收發(fā)器和至少一個超聲波傳感器；

所述定位基站發(fā)射數(shù)據(jù)信號和超聲波信號至所述被追蹤設(shè)備，所述被追蹤設(shè)備接收并處理所述數(shù)據(jù)信號和超聲波信號，得到每個所述超聲波傳感器相對于所述定位基站的空間位置，結(jié)合所有所述超聲波傳感器在所述被追蹤設(shè)備上的分布信息確定所述被追蹤設(shè)備相對于所述定位基站的空間位置和姿態(tài)。

進(jìn)一步，在本發(fā)明所述的動作捕捉系統(tǒng)中，所述定位基站還包括：用于控制所述定位基站內(nèi)所述第一射頻收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)信號和所述超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波信號的第一微處理器；

與所述第一微處理器連接、用于驅(qū)動所述超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波信號的驅(qū)動電路；

所述第一射頻收發(fā)器連接所述第一微處理器；所述超聲波發(fā)射器通過所述驅(qū)動電路連接至所述第一微處理器。

進(jìn)一步，在本發(fā)明所述的動作捕捉系統(tǒng)中，所述定位基站還包括：定位基站衛(wèi)星A、定位基站衛(wèi)星B、定位基站衛(wèi)星C，第一射頻收發(fā)器包括：射頻收發(fā)器A、射頻收發(fā)器B、射頻收發(fā)器C；

在所述定位基站衛(wèi)星A中，超聲波發(fā)射器A通過驅(qū)動電路A連接處理器A；所述射頻收發(fā)器A連接所述處理器A；

在所述定位基站衛(wèi)星B中，超聲波發(fā)射器B通過驅(qū)動電路B連接處理器B；所述射頻收發(fā)器B連接所述處理器B；

在所述定位基站衛(wèi)星C中，超聲波發(fā)射器C通過驅(qū)動電路C連接處理器C；所述射頻收發(fā)器C連接所述處理器C。

進(jìn)一步，在本發(fā)明所述的動作捕捉系統(tǒng)中，所述被追蹤設(shè)備還包括：與所述被追蹤設(shè)備的主系統(tǒng)連接、用于接收并處理所述數(shù)據(jù)信號和超聲波信號的第二微處理器；

所述第二微處理器有多個外部中斷，其中一個所述外部中斷連接所述第二射頻收發(fā)器，其余所述外部中斷分別通過放大調(diào)理電路連接所述超聲波傳感器。

進(jìn)一步，在本發(fā)明所述的動作捕捉系統(tǒng)中，所述被追蹤設(shè)備還包括：與所述被追蹤設(shè)備主系統(tǒng)連接、用于接收并處理所述數(shù)據(jù)信號和超聲波信號的第三微處理器；

所述第三微處理器有多個外部中斷，其中一個所述外部中斷連接所述第二射頻收發(fā)器，其余所述外部中斷通過頻率分離器連接所述超聲波傳感器。

進(jìn)一步，在本發(fā)明所述的動作捕捉系統(tǒng)中，所述頻率分離器包括：用于將接收到的所述超聲波信號進(jìn)行放大的放大電路、用于選取預(yù)設(shè)頻率聲波的帶通濾波器、用于將超聲波信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的比較器；所述超聲波傳感器通過所述放大電路連接所述帶通濾波器，所述帶通濾波器將選擇的超聲波信號傳輸至所述比較器，所述比較器連接對應(yīng)的所述外部中斷；

或

所述頻率分離器包括：用于將接收到的所述超聲波信號進(jìn)行放大的放大電路、用于選取預(yù)設(shè)頻率聲波的模擬鎖相環(huán)、用于為所述模擬鎖相環(huán)提供參考頻率的參考頻率源；

所述超聲波傳感器通過所述放大電路連接所述模擬鎖相環(huán)，所述模擬鎖相環(huán)連接所述參考頻率源，所述模擬鎖相環(huán)連接對應(yīng)的所述外部中斷。

另，本發(fā)明還公開一種動作捕捉方法，包括：

步驟一：定位基站通過第一射頻收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)信號，并在發(fā)送數(shù)據(jù)信號延后第一預(yù)設(shè)時間后通過超聲波發(fā)射器發(fā)送超聲波信號；

步驟二：被追蹤設(shè)備通過第二射頻收發(fā)器接收所述數(shù)字信號，所述被追蹤設(shè)備通過超聲波傳感器接收所述超聲波信號；

步驟三：所述被追蹤設(shè)備根據(jù)所述超聲波信號到達(dá)所述超聲波傳感器的時間得到每個所述超聲波發(fā)射器與所述超聲波傳感器之間的距離；

步驟四：根據(jù)每個所述超聲波發(fā)射器與所述超聲波傳感器之間的距離，解算出每個所述超聲波傳感器相對于所述定位基站的空間位置；

步驟五：根據(jù)每個所述超聲波傳感器相對于所述定位基站的空間位置和所述超聲波傳感器在所述被追蹤設(shè)備上的分布信息，得到所述被追蹤設(shè)備相對于所述定位基站的空間位置和姿態(tài)。

優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的動作捕捉系統(tǒng)中，

所述步驟一包括：所述第一射頻收發(fā)器在每個周期內(nèi)以第一時間間隔為間隔向所述被追蹤設(shè)備多次廣播所述數(shù)據(jù)信號，所述數(shù)據(jù)信號內(nèi)包含所述超聲波發(fā)射器的預(yù)設(shè)順序信息；所述超聲波發(fā)射器按照所述預(yù)設(shè)順序信息依次在所述第一射頻收發(fā)器每次發(fā)送所述數(shù)據(jù)信號延后第一預(yù)設(shè)時間后發(fā)送所述超聲波信號；

所述步驟三包括：所述被追蹤設(shè)備以所述第二射頻收發(fā)器接收到所述數(shù)據(jù)信號為計時起點(diǎn)，以所述超聲波傳感器接收到所述超聲波信號為計時終點(diǎn)，去除偏置時間后得到每個所述超聲波信號到達(dá)所述超聲波傳感器的時間。

優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的動作捕捉系統(tǒng)中，

所述步驟一包括：所述第一射頻收發(fā)器在每個周期開始時廣播所述數(shù)據(jù)信號，所述超聲波發(fā)射器按照預(yù)設(shè)順序并以第二時間間隔為間隔依次發(fā)射所述超聲波信號；

所述步驟三包括：所述被追蹤設(shè)備以所述第二射頻收發(fā)器接收到所述數(shù)據(jù)信號為計時起點(diǎn)，以所述超聲波傳感器接收到所述超聲波信號為計時終點(diǎn)，去除對應(yīng)倍數(shù)的所述第二時間間隔得到每個所述超聲波信號到達(dá)所述超聲波傳感器的時間。

優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的動作捕捉系統(tǒng)中，

所述步驟一包括：所述第一射頻收發(fā)器在每個周期開始時廣播所述數(shù)據(jù)信號，每個所述超聲波發(fā)射器發(fā)射不同頻率的所述超聲波信號；

所述步驟三包括：所述被追蹤設(shè)備以所述第二射頻收發(fā)器接收到所述數(shù)據(jù)信號為計時起點(diǎn)，以頻率分離器輸出不同頻率的所述超聲波信號為計時終點(diǎn)，去除偏置時間后得到每個所述超聲波信號到達(dá)所述超聲波傳感器的時間。

實(shí)施本發(fā)明的一種動作捕捉系統(tǒng)，具有以下有益效果：該系統(tǒng)包括：定位基站和被追蹤設(shè)備，其中，定位基站包括第一射頻收發(fā)器和至少三個超聲波發(fā)射器；被追蹤設(shè)備包括第二射頻收發(fā)器和至少一個超聲波傳感器；定位基站發(fā)射數(shù)據(jù)信號和超聲波信號至被追蹤設(shè)備，被追蹤設(shè)備接收并處理數(shù)據(jù)信號和超聲波信號，得到每個超聲波傳感器相對于定位基站的空間位置，結(jié)合所有超聲波傳感器在被追蹤設(shè)備上的分布信息確定被追蹤設(shè)備相對于定位基站的空間位置和姿態(tài)。通過實(shí)施本發(fā)明，僅需要一個基站即可完成空間定位，不需要任何圖像識別算法，所獲取的僅僅是時間參數(shù)；另外，本發(fā)明具有計算速度快、響應(yīng)延時低、功耗低、空間位置追蹤精度高等特點(diǎn)。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是HTC VIVE的Lighthouse動作捕捉的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是Oculus的主動式光學(xué)定位技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是SONY公司的PlayStation Move動作捕捉的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第一實(shí)施例的定位基站的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第一實(shí)施例的被追蹤設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第一實(shí)施例的定位基站的工作時序圖；

圖8是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第一實(shí)施例的被追蹤設(shè)備的工作時序圖；

圖9是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第二實(shí)施例的定位基站的工作時序圖；

圖10是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第二實(shí)施例的被追蹤設(shè)備的工作時序圖；

圖11是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第三實(shí)施例的定位基站的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第三實(shí)施例的被追蹤設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第三實(shí)施例的頻率分離器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第四實(shí)施例的頻率分離器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖15是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第三、四實(shí)施例的定位基站的工作時序圖；

圖16是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第三、四實(shí)施例的被追蹤設(shè)備的工作時序圖；

圖17是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第五實(shí)施例的定位基站的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖18是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第五實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖19-22是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的應(yīng)用場景示意圖；

圖23是超聲波發(fā)射器A-C和單個超聲波傳感器之間的位置關(guān)系模型。

具體實(shí)施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

如圖4所示，圖4是本發(fā)明的一種動作捕捉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)包括：定位基站和被追蹤設(shè)備，其中，

定位基站包括第一射頻收發(fā)器和至少三個超聲波發(fā)射器；

被追蹤設(shè)備包括第二射頻收發(fā)器和至少一個超聲波傳感器；

被追蹤設(shè)備通過有線或無線通信接口接入主系統(tǒng)；

定位基站發(fā)射數(shù)據(jù)信號和超聲波信號至被追蹤設(shè)備，被追蹤設(shè)備接收并處理數(shù)據(jù)信號和超聲波信號，得到每個超聲波傳感器相對于定位基站的空間位置，結(jié)合所有超聲波傳感器在被追蹤設(shè)備上的分布信息確定被追蹤設(shè)備相對于定位基站的空間位置和姿態(tài)。

如圖5-8所示，為本發(fā)明一種動作捕捉系統(tǒng)的第一實(shí)施例。

參考圖5，圖5是本實(shí)施例一種動作捕捉系統(tǒng)的第一實(shí)施例的定位基站的結(jié)構(gòu)示意圖。該定位基站包括：第一微處理器、第一射頻收發(fā)器、多個超聲波發(fā)射器以及對應(yīng)的驅(qū)動電路，其中，

第一微處理器用于控制定位基站內(nèi)第一射頻收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)信號和超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波信號，第一射頻收發(fā)器連接第一微處理器；驅(qū)動電路用于驅(qū)動超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波信號，本實(shí)施例的驅(qū)動電路包括第一驅(qū)動電路、第二驅(qū)動電路、第三驅(qū)動電路，超聲波放射器包括第一超聲波發(fā)射器、第二超聲波發(fā)射器、第三超聲波發(fā)射器；第一超聲波發(fā)射器通過第一驅(qū)動電路連接第一微處理器，第二超聲波發(fā)射器通過第二驅(qū)動電路連接第一微處理器，第三超聲波發(fā)射器通過第三驅(qū)動電路連接第一微處理器。

優(yōu)選地，本示例中的超聲波發(fā)射器優(yōu)選為柱狀PVDF薄膜超聲波發(fā)射器，例如TE Connectivity公司就有生產(chǎn)這類超聲波發(fā)射器，典型發(fā)射頻率為40Khz或80Khz，發(fā)射角度為全向360度。

參考圖6，圖6是本實(shí)施例一種動作捕捉系統(tǒng)的第一實(shí)施例的被追蹤設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。該被追蹤設(shè)備包括：第二微處理器、第二射頻收發(fā)器、多個超聲波傳感器、以及與超聲波傳感器對應(yīng)的放大調(diào)理電路，其中，

被追蹤設(shè)備的第二微處理器通過有線或無線通信接口接入主系統(tǒng)，將解算好的位置信息傳送給主系統(tǒng)進(jìn)行處理，無線通信接口包括但不限于藍(lán)牙/wifi/zigbee等；第二微處理器包括多個外部中斷，超聲波傳感器包括：第一超聲波傳感器、第二超聲波傳感器、第三超聲波傳感器。第二射頻收發(fā)器連接第二微處理器的外部中斷0，第一超聲波傳感器通過第一放大調(diào)理電路連接第二微處理器的外部中斷1，第二超聲波傳感器通過第二放大調(diào)理電路連接第二微處理器的外部中斷2，第三超聲波傳感器通過第三放大調(diào)理電路連接第二微處理器的外部中斷3?？梢岳斫?，超聲波傳感器的數(shù)量可根據(jù)定位精度的需求進(jìn)行調(diào)整，放大調(diào)理電路和第二微處理器的外部中斷做對應(yīng)調(diào)整即可。

優(yōu)選地，第二微處理器包括但不限于具有外部中斷或邊沿觸發(fā)功能的微處理器、FPGA或ASIC等。第一射頻收發(fā)器和第二射頻收發(fā)器應(yīng)當(dāng)是相互匹配的，例如市場上常見的2.4G射頻收發(fā)器，有NORDIC公司的NRF24L01系列，上海鏈接電子公司的LT89xx系列。其中第二射頻收發(fā)器與第二微處理器外部中斷0連接的引腳應(yīng)當(dāng)是數(shù)據(jù)包中斷輸出引腳，上述的NRF24L01系列和LT89xx系列均有該引腳。超聲波傳感器優(yōu)選為MEMS硅麥克風(fēng)，Knowles公司有生產(chǎn)該類型的硅麥克風(fēng)，它的體積非常小，容易集成到頭戴顯示器或手持控制器上，其聲孔直徑小于1mm，故可以排布較為密集。超聲波傳感器通過放大調(diào)理電路的調(diào)理整形比較后將接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)化為第二微處理器可以識別的電平跳變。

參考圖7，圖7是本實(shí)施例一種動作捕捉系統(tǒng)的第一實(shí)施例的定位基站的工作時序圖。其中，Tw是兩次空間定位的間隔時間，在Tw的時間內(nèi)，第一微處理器控制第一射頻收發(fā)器以Tsafe為間隔分別廣播含有超聲波發(fā)射器標(biāo)簽的3個數(shù)據(jù)包，并在相應(yīng)的間隔里控制第一超聲波發(fā)射器、第二超聲波發(fā)射器、第三超聲波發(fā)射器依次延時Td或立即發(fā)射超聲波，如此往復(fù)。Td一般在500us以內(nèi)，在數(shù)據(jù)包較長的情況下Td可以為0。Tsafe是指超聲波在設(shè)定的追蹤距離內(nèi)能夠安全的傳播的時間。

參考圖8，圖8是本實(shí)施例一種動作捕捉系統(tǒng)的第一實(shí)施例的被追蹤設(shè)備的工作時序圖。被追蹤設(shè)備上設(shè)置的第二射頻收發(fā)器在每次空間定位的時間Tw內(nèi)會收到3個帶有超聲波發(fā)射標(biāo)簽的數(shù)據(jù)包，將Tw分為3個時隙，它們的間隔為Tsafe；分別以這3個數(shù)據(jù)包收到的時間作為計時起始點(diǎn)，被追蹤設(shè)備上設(shè)置的第一超聲波傳感器、第二超聲波傳感器、第三超聲波傳感器在3個時隙中接收到的超聲波信號引發(fā)的中斷分別作為計時結(jié)束得到對應(yīng)的時間。例如，外部中斷1分別得到的是Tt1A、Tt1B和Tt1C，去除延時Td分別得到T1A、T1B和T1C，將得到的T1A、T1B和T1C分別乘以聲速則可以得到定位基站上設(shè)置的超聲波發(fā)射器到達(dá)第一超聲波傳感器的距離，其他超聲波傳感器以此類推。

如圖9-10所示，為本發(fā)明一種動作捕捉系統(tǒng)的第二實(shí)施例。

第二實(shí)施例的中的定位基站和被追蹤設(shè)備的結(jié)構(gòu)參考第一實(shí)施例，這里不在贅述，第二實(shí)施例與第一實(shí)施例區(qū)別在定位方法上，具體過程參考圖9和圖10。

參考圖9，圖9是本實(shí)施例一種動作捕捉系統(tǒng)的第二實(shí)施例的定位基站的工作時序圖。其中，Tw是兩次空間定位的間隔時間，在Tw的起始時間，第一微處理器控制第一射頻收發(fā)器廣播1個同步數(shù)據(jù)包，在延時Td后或立即控制第一超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波。Td一般在500us以內(nèi)，在數(shù)據(jù)包較長的情況下Td可以為0。在第一超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波后，以Tsafe為間隔分別控制第二超聲波發(fā)射器和第三超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，如此往復(fù)。

參考圖10，圖10是本實(shí)施例一種動作捕捉系統(tǒng)的第二實(shí)施例的被追蹤設(shè)備的工作時序圖。被追蹤設(shè)備上設(shè)置的第二射頻收發(fā)器在每次空間定位的時間Tw起始時間會收到同步數(shù)據(jù)包，以收到同步數(shù)據(jù)包作為計時起始點(diǎn)，在Td延時之后，以Tsafe作為間隔將Tw分為3個時隙，被追蹤節(jié)點(diǎn)上設(shè)置的第一超聲波傳感器、第二超聲波傳感器、第三超聲波傳感器在3個時隙中接收到的觸發(fā)信號引發(fā)的中斷分別作為計時結(jié)束得到對應(yīng)的時間，例如外部中斷1分別得到的是Tt1A、Tt1B和Tt1C，將Tt1A、Tt1B和Tt1C分別減去Td、Td+Tsafe、Td+2*Tsafe得到T1A、T1B和T1C，將得到的T1A、T1B和T1C分別乘以聲速則可以得到定位基站上設(shè)置的3個超聲波發(fā)射器到達(dá)第一超聲波傳感器的距離，其他超聲波傳感器以此類推。

如圖11-13所示，為本發(fā)明一種動作捕捉系統(tǒng)的第三實(shí)施例。

參考圖11，圖11是本實(shí)施例一種動作捕捉系統(tǒng)的第三實(shí)施例的定位基站的結(jié)構(gòu)示意圖。與第一實(shí)施例和第二實(shí)施例不同，在第三實(shí)施例中，超聲波發(fā)射器通過發(fā)射不同頻率的聲波來區(qū)分，第一超聲波發(fā)射器發(fā)射頻率為FA的超聲波信號，第二超聲波發(fā)射器發(fā)射頻率為FB的超聲波信號，第三超聲波發(fā)射器發(fā)射頻率為FC的超聲波信號。第一微處理器可以通過第一驅(qū)動電路、第二驅(qū)動電路、第三驅(qū)動電路分別控制第一超聲波發(fā)射器、第二超聲波發(fā)射器、第三超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波信號。超聲波發(fā)射器優(yōu)選為柱狀PVDF薄膜超聲波發(fā)射器，例如TE Connectivity公司就有生產(chǎn)這類超聲波發(fā)射器，典型發(fā)射頻率為40Khz或80Khz，發(fā)射角度為全向360度，特別地，柱狀PVDF薄膜超聲波發(fā)射器有一個特性，即可以通過調(diào)整PVDF薄膜的柱狀半徑和長度改變其中心頻率，使其可以在多個頻率上進(jìn)行全功率發(fā)射。

參考圖12，圖12是本實(shí)施例一種動作捕捉系統(tǒng)的第三實(shí)施例的被追蹤設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。該被追蹤設(shè)備包括：第二微處理器、與第二微處理器連接的第二射頻收發(fā)器、放大調(diào)理電路1-n、與放大調(diào)理電路1-n連接的超聲波傳感器1-n，n為大于1的自然數(shù)；放大調(diào)理電路1-n分別連接有能夠分離出FA、FB和FC的頻率分離器1-n。第二微處理器包括但不限于具有外部中斷或邊沿觸發(fā)功能的微處理器、FPGA或ASIC。第二微處理器的外部中斷0連接有第二射頻收發(fā)器，其余的外部中斷的連接關(guān)系具體為：頻率分離器1-n的FA、FB和FC輸出各自連接有外部中斷1A-nA、1B-nB、1C-nC。

優(yōu)選地，第二微處理器通過有線或藍(lán)牙/wifi/zigbee等無線通信接口與主系統(tǒng)連接，將解算好的位置信息傳送給主系統(tǒng)進(jìn)行處理。第一射頻收發(fā)器和第二射頻收發(fā)器應(yīng)當(dāng)是相互匹配的，例如市場上常見的2.4G射頻收發(fā)器，有NORDIC公司的NRF24L01系列，上海鏈接電子公司的LT89xx系列。其中，第二射頻收發(fā)器與第二微處理器外部中斷0連接的引腳應(yīng)當(dāng)是數(shù)據(jù)包中斷輸出引腳，上述的NRF24L01系列和LT89xx系列均有該引腳。超聲波傳感器1-n優(yōu)選為MEMS硅麥克風(fēng)，Knowles公司有生產(chǎn)該類型的硅麥克風(fēng)，它的體積非常小，可檢測的頻寬大，容易集成到頭戴顯示器或手持控制器上，其聲孔直徑小于1mm，故可以排布較為密集。

參考圖13，圖13是本實(shí)施例一種動作捕捉系統(tǒng)的第三實(shí)施例的頻率分離器的結(jié)構(gòu)示意圖。該頻率分離器包括：用于將接收到的超聲波信號進(jìn)行放大的放大電路、用于選取預(yù)設(shè)頻率聲波的帶通濾波器、用于將超聲波信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的比較器；超聲波傳感器通過放大電路連接帶通濾波器，帶通濾波器將選擇的超聲波信號傳輸至比較器，比較器連接對應(yīng)的外部中斷。

具體的，超聲波傳感器被放大電路放大擴(kuò)流后同時接入中心頻率設(shè)計為FA、FB和FC的3個帶通濾波器，此時只有頻率符合FA、FB和FC的超聲波信號會通過對應(yīng)的帶通濾波器，在帶通濾波器后級連接的比較器將頻率為FA、FB和FC的超聲波信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字電路可以識別的電平跳變。由于被追蹤節(jié)點(diǎn)在追蹤過程中的移動會導(dǎo)致輕微的多普勒效應(yīng)，使得接收到的信號可能會發(fā)生一定的頻偏，因此帶通濾波器的帶寬應(yīng)該至少有2-3khz，而FA、FB和FC之間的頻差應(yīng)該至少在10Khz以上才能避免混淆誤觸發(fā)。

如圖14所示，為本發(fā)明一種動作捕捉系統(tǒng)的第四實(shí)施例。

參考圖14，圖14是本發(fā)明一種動作捕捉系統(tǒng)的第四實(shí)施例的頻率分離器的結(jié)構(gòu)示意圖。第四實(shí)施例的與第三實(shí)施例的區(qū)別在于頻率分離器的選擇不同，與第三實(shí)施例相同部分在此不再贅述，僅對頻率分離器做詳細(xì)說明。該頻率分離器包括：用于將接收到的超聲波信號進(jìn)行放大的放大電路、用于選取預(yù)設(shè)頻率聲波的模擬鎖相環(huán)、用于為模擬鎖相環(huán)提供參考頻率的參考頻率源；超聲波傳感器通過放大電路連接模擬鎖相環(huán)，模擬鎖相環(huán)連接參考頻率源，模擬鎖相環(huán)連接對應(yīng)的外部中斷。

具體的，超聲波傳感器被放大電路放大擴(kuò)流后同時接入模擬鎖相環(huán)A-C，當(dāng)接收到的超聲波信號符合模擬鎖相環(huán)的參考頻率時，模擬鎖相環(huán)的輸出會發(fā)生電平跳變。模擬鎖相環(huán)A-C的參考頻率源輸入分別為FA、FB和FC，因此當(dāng)輸入的超聲波信號里包含頻率為FA、FB和FC的信號時，模擬鎖相環(huán)A-C會分別進(jìn)入頻率鎖定狀態(tài)引起輸出的電平跳變，以此可以對應(yīng)分離出頻率為FA、FB和FC的超聲波信號。

圖15是本發(fā)明一種動作捕捉系統(tǒng)的第三、四實(shí)施例的定位基站的工作時序圖。其中，Tw是兩次空間定位的間隔時間，在Tw的起始時間，第一微處理器控制第一射頻收發(fā)器廣播1個同步數(shù)據(jù)包，在延時Td后或立即控制超聲波發(fā)射器A-C分別以頻率FA、FB和FC發(fā)射超聲波，如此往復(fù)。優(yōu)選地，Td一般在500us以內(nèi)，在數(shù)據(jù)包較長的情況下Td可以為0。

圖16是本發(fā)明一種動作捕捉系統(tǒng)的第三、四實(shí)施例的被追蹤設(shè)備的工作時序圖。被追蹤設(shè)備上設(shè)置的第二射頻收發(fā)器在每次空間定位的時間Tw起始時間會收到同步數(shù)據(jù)包，以收到同步數(shù)據(jù)包作為計時起始點(diǎn)，每個頻率分離器所連接的外部中斷接口分別以頻率為FA、FB和FC的超聲波所引發(fā)的中斷作為計時結(jié)束得到對應(yīng)的時間，例如外部中斷1A、外部中斷1B和外部中斷1C分別得到的是Tt1A、Tt1B和Tt1C，將Tt1A、Tt1B和Tt1C分別減去Td得到T1A、T1B和T1C，將得到的T1A、T1B和T1C分別乘以聲速則可以得到定位基站上設(shè)置的超聲波發(fā)射器A-C到達(dá)第一超聲波傳感器的距離，其他超聲波傳感器以此類推。

如圖17-18所示，為本發(fā)明一種動作捕捉系統(tǒng)的第五實(shí)施例。

圖17是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第五實(shí)施例的定位基站的結(jié)構(gòu)示意圖；圖18是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的第五實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該定位基站包括：定位基站衛(wèi)星A、定位基站衛(wèi)星B、定位基站衛(wèi)星C，第一射頻收發(fā)器包括：射頻收發(fā)器A、射頻收發(fā)器B、射頻收發(fā)器C；

在定位基站衛(wèi)星A中，超聲波發(fā)射器A通過驅(qū)動電路A連接處理器A；射頻收發(fā)器A連接處理器A；

在定位基站衛(wèi)星B中，超聲波發(fā)射器B通過驅(qū)動電路B連接處理器B；射頻收發(fā)器B連接處理器B；

在定位基站衛(wèi)星C中，超聲波發(fā)射器C通過驅(qū)動電路C連接處理器C；射頻收發(fā)器C連接處理器C。

在進(jìn)行較大空間的追蹤時，超聲波發(fā)射器A、超聲波發(fā)射器B、超聲波發(fā)射器C設(shè)置在可追蹤區(qū)域邊緣能夠獲得較好的分辨率，此時定位基站上的超聲波發(fā)射器A、B、C還可以拆分為3個獨(dú)立的“衛(wèi)星基站”的布局形式。請參考圖17，其中超聲波發(fā)射器A、B、C也可以是單一頻率或前述分為3個頻率分別為FA,FB和FC的情形，控制時序的區(qū)別在于：

上述實(shí)施例中超聲波發(fā)射器B和C的發(fā)射時機(jī)是以每個追蹤周期里基站發(fā)射數(shù)據(jù)包的時間為基準(zhǔn)的，發(fā)射實(shí)際動作由基站的微處理器直接控制；而在圖17所示的布局中，定位基站衛(wèi)星A廣播的數(shù)據(jù)包和超聲波發(fā)射器A的發(fā)射和前述的3個方法中的一致，定位基站衛(wèi)星B和C的射頻收發(fā)器始終處于接收狀態(tài)，超聲波發(fā)射器B和C的發(fā)射時機(jī)則是以接收到定位基站衛(wèi)星A廣播的數(shù)據(jù)包的時間作為基準(zhǔn)，由定位基站衛(wèi)星B和C的處理器各自以前述方法中的時序控制超聲波發(fā)射的實(shí)際動作，由于射頻收發(fā)器的發(fā)射和接收速度較快，因此被追蹤節(jié)點(diǎn)處只需要在前述方法測得的超聲波發(fā)射器B和C的到達(dá)時間上分別減去射頻收發(fā)期間的延時即可完成定位追蹤。

該實(shí)施方法的好處在于，每個衛(wèi)星只需要在自身上設(shè)置電池或就近取電即可，無需在它們之間建立有線連接，可以大大提高基站的布局的便利性，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過前述的方法描述和提供的時序圖較為容易地理解這種實(shí)施方法，同樣屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇，在此不累述其時序圖。

圖19-22是本發(fā)明動作捕捉系統(tǒng)的應(yīng)用場景示意圖。

請參考圖19，圖19所示的是本發(fā)明用于VR(虛擬現(xiàn)實(shí))交互的直觀展示。圖中展示了定位基站與被追蹤節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。定位基站設(shè)置在天花板的為較佳設(shè)置，被追蹤節(jié)點(diǎn)為頭戴式顯示器和手持控制器，在頭戴顯示器和手持控制器上以各角度均可接收超聲波的布局設(shè)置各個超聲波傳感器，通過上述的方法可以獲得頭戴顯示器和手持控制器上大部分超聲波傳感器的空間位置，由于已知超聲波傳感器在頭戴顯示器和手持控制器上的具體位置，因此理論上只要獲取頭戴顯示器和手持控制器上任意兩個超聲波傳感器的空間位置即可獲得頭戴顯示器和手持控制器的姿態(tài)，因此這樣的設(shè)置能夠保證在用戶使用VR系統(tǒng)進(jìn)行交互時，頭戴顯示器和手持控制器在各種姿勢下都能盡可能地保持著頭戴顯示器和手持控制器的動作捕捉。

請參考圖20，圖20所示的是本發(fā)明應(yīng)用在無人飛行器室內(nèi)位置捕捉的實(shí)施方法。定位基站設(shè)置在天花板的為較佳設(shè)置，無人機(jī)在水平平面設(shè)置多個超聲波傳感器，通過捕捉至少2個超聲波傳感器的空間位置即可獲知無人飛行器的空間位置和姿態(tài)。

請參考圖21，圖21所示的是方法1和方法2定位基站的捕捉半徑Rc、捕捉幀率與Tsafe的設(shè)置的關(guān)系，如圖所示Rc為以定位基站的幾何中心為球心的半球的半徑。根據(jù)聲速，當(dāng)Rc為5m時，Tsafe應(yīng)當(dāng)設(shè)置為至少15ms，此時的動作捕捉理論幀率上限在20fps左右；當(dāng)Rc設(shè)置為3m時，Tsafe應(yīng)當(dāng)設(shè)置為至少10ms，此時的動作捕捉理論幀率上限在30fps左右。

請參考圖22，圖22所示的是方法3定位基站的捕捉半徑Rc、捕捉幀率與Tw的設(shè)置的關(guān)系，如圖所示Rc為以定位基站的幾何中心為球心的半球的半徑。根據(jù)聲速，當(dāng)Rc為5m時，Tw應(yīng)當(dāng)設(shè)置為至少15ms，此時的動作捕捉幀率上限在66fps左右；當(dāng)Rc設(shè)置為3m時，Tw應(yīng)當(dāng)設(shè)置為至少10ms，此時的動作捕捉理論幀率上限在100fps左右。方法1和方法2硬件結(jié)構(gòu)是一致，相對方法3來說，方法1和方法2的被追蹤節(jié)點(diǎn)對處理器和模擬電路的要求和成本明顯更低，但動作捕捉幀率較低；在需要高速響應(yīng)的動作捕捉情景中，采用方法3能獲得較好體驗(yàn)效果，以上皆為工程實(shí)踐得出的參數(shù)，旨在充分說明本發(fā)明的實(shí)施方法是經(jīng)過工程驗(yàn)證的。

另，本發(fā)明還公開一種動作捕捉方法，包括：

步驟一：定位基站通過第一射頻收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)信號，并在發(fā)送數(shù)據(jù)信號延后第一預(yù)設(shè)時間后通過超聲波發(fā)射器發(fā)送超聲波信號；

步驟二：被追蹤設(shè)備通過第二射頻收發(fā)器接收數(shù)字信號，被追蹤設(shè)備通過超聲波傳感器接收超聲波信號；

步驟三：被追蹤設(shè)備根據(jù)超聲波信號到達(dá)超聲波傳感器的時間得到每個超聲波發(fā)射器與超聲波傳感器之間的距離；

參考圖23，圖23是超聲波發(fā)射器A-C和單個超聲波傳感器之間的位置關(guān)系模型。設(shè)超聲波發(fā)射器A-C分別為A、B和C點(diǎn)，由于它們設(shè)置在同一平面上，以A為基準(zhǔn)原點(diǎn)，A、B和C點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(0,0,0)、(x1,y1,0)和(x2,y2,0)；設(shè)超聲波發(fā)射器為R點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x,y,z)，且R點(diǎn)始終在z軸的正半軸區(qū)域活動；設(shè)R到A、B和C點(diǎn)的距離分別為D0，D1，D2。此時有以下關(guān)系：

解該方程得到：

將x,y帶入原方程，在開方時取z的正值可以求出z。

由以上可以得知在A、B和C點(diǎn)的位置確定的情況下，通過測量D0，D1，D2可以求出R點(diǎn)的空間位置(x,y,z)。根據(jù)之前敘述的方法，可以能夠獲取每個超聲波傳感器距離A、B和C點(diǎn)的距離。

可以理解，定位基站上可以設(shè)置多個超聲波發(fā)射器，多個超聲波發(fā)射器的距離計算方法可參考本實(shí)施例的三個超聲波發(fā)射器，原理相似，在此不再贅述。

步驟四：根據(jù)每個超聲波發(fā)射器與超聲波傳感器之間的距離，解算出每個超聲波傳感器相對于定位基站的空間位置；

步驟五：根據(jù)每個超聲波傳感器相對于定位基站的空間位置和超聲波傳感器在被追蹤設(shè)備上的分布信息，得到被追蹤設(shè)備相對于定位基站的空間位置和姿態(tài)。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的動作捕捉系統(tǒng)中，

步驟一包括：第一射頻收發(fā)器在每個周期內(nèi)以第一時間間隔為間隔向被追蹤設(shè)備多次廣播數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)信號內(nèi)包含超聲波發(fā)射器的預(yù)設(shè)順序信息；超聲波發(fā)射器按照預(yù)設(shè)順序信息依次在第一射頻收發(fā)器每次發(fā)送數(shù)據(jù)信號延后第一預(yù)設(shè)時間后發(fā)送超聲波信號；

步驟三包括：被追蹤設(shè)備以第二射頻收發(fā)器接收到數(shù)據(jù)信號為計時起點(diǎn)，以超聲波傳感器接收到超聲波信號為計時終點(diǎn)，去除偏置時間后得到每個超聲波信號到達(dá)超聲波傳感器的時間。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的動作捕捉系統(tǒng)中，

步驟一包括：第一射頻收發(fā)器在每個周期開始時廣播數(shù)據(jù)信號，超聲波發(fā)射器按照預(yù)設(shè)順序并以第二時間間隔為間隔依次發(fā)射超聲波信號；

步驟三包括：被追蹤設(shè)備以第二射頻收發(fā)器接收到數(shù)據(jù)信號為計時起點(diǎn)，以超聲波傳感器接收到超聲波信號為計時終點(diǎn)，去除對應(yīng)倍數(shù)的第二時間間隔得到每個超聲波信號到達(dá)超聲波傳感器的時間。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的動作捕捉系統(tǒng)中，

步驟一包括：第一射頻收發(fā)器在每個周期開始時廣播數(shù)據(jù)信號，每個超聲波發(fā)射器發(fā)射不同頻率的超聲波信號；

步驟三包括：被追蹤設(shè)備以第二射頻收發(fā)器接收到數(shù)據(jù)信號為計時起點(diǎn)，以頻率分離器輸出不同頻率的超聲波信號為計時終點(diǎn)，去除偏置時間后得到每個超聲波信號到達(dá)超聲波傳感器的時間。

以上實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)此實(shí)施，并不能限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡跟本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等變化與修飾，均應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。