使用一个或多个磁场的运动追踪系统的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]当前追踪人员头部或其它对象的位置和取向的方法是复杂和昂贵的。现有磁性头部追踪或运动追踪系统要求磁场的主动发射。磁性发射器通常是用电流激励(energize)以产生磁场的三个线圈。这要求敷设电缆和复杂的驱动电路。三个线圈一次一个相继地或者用三个不同的频率被激励。
[0002]已经进行尝试来仅使用地球的磁场和磁力计追踪人员头部，但是这具有严格的限制，因为单独从地球的磁场矢量得到所有三个旋转(方位角、仰角和滚动)是不可能的。
[0003]因此，存在对用于商业和军事应用两者的更简单和较不昂贵的追踪系统的需要。
【发明内容】
[0004]提供了一种用于追踪对象的运动的系统和方法。系统包括被配置成生成第一静态磁场的至少第一磁源，其中第一磁源被固定在第一坐标框架中，以及配置成位于对象上并且检测第一静态磁场的多个磁性传感器。磁性传感器位于相对于第一坐标框架可移动的第二坐标框架中。处理器操作用于从磁性传感器接收磁场数据。操作性地耦合到处理器的存储器单元被配置成存储针对第一坐标框架定义的磁场模型或磁场数据库，以及针对第二坐标框架定义的具有不确定性的磁性传感器测量模型。处理器基于存储在存储器单元中的磁场数据和其它信息来计算和输出对象的已估计位置和取向。
【附图说明】
[0005]从下面参考附图的描述，本发明的特征对于本领域技术人员来说将变得显而易见。应该理解附图仅描述典型的实施例并且因此不被认为是在范围方面的限制，本发明将通过使用附图来用另外的特征和细节被描述，其中:
[0006]图1是图示出根据一个实施例的运动追踪系统的示意图；
[0007]图2是根据一个实施例的用于运动追踪系统的设置方法的框图；
[0008]图3是根据一个实施例的用于在运动追踪系统中使用的估计方法的流程图；
[0009]图4A-图4C是图示出根据一个实施例的用于运动追踪系统的示例性设置的示意图；以及
[0010]图5是图示出根据另一个实施例的用于运动追踪系统的示例性设置的示意图。
【具体实施方式】
[0011]在下面的详细描述中，充分详细地描述实施例以使得本领域技术人员能够实施本发明。应该理解可以在不脱离本发明的范围的情况下利用其它实施例。因此，下面的详细描述不应被理解成限制意义。
[0012]提供了运动追踪系统和方法，其采用一个或多个磁场来追踪人员头部或其它对象的位置和取向。在本系统和方法中，由磁源(例如一个或多个永久磁铁、或用直流(DC)驱动的线圈)生成一个或多个静态磁场。
[0013]磁源生成通常90度分开的具有不同取向的轴的偶极场。偶极场的交叉创建唯一一组场梯度。用多个三轴磁性传感器来感测DC磁场，例如包括非共线接收器的三接收器三元组。接收器可以是磁阻磁力计，或者能够准确地测量DC磁场的任何其它类型接收器。接收器的几何位置可以相对于彼此固定或可变。
[0014]在一个实施例中，本系统采用生成DC磁场的两个或更多偶极，其由能够感测DC磁场的三个或更多接收器三元组感测。接收器三元组可以例如被安装在头部安装显示器、头盔或头带上。
[0015]在多个接收器三元组在DC磁场内移动时，感测并且可以分析唯一场梯度以确定每个传感器三元组的x、y和z位置。一旦已知每个接收器三元组的位置，可以确定追踪系统的传感器组(suite)的角度取向，包括方位角、仰角和滚动。在一个实施例中，这允许追踪系统确定人员头部或其它对象的位置和取向两者。
[0016]本追踪系统的简单导致更低的成本并且允许该系统在对其中存在大量金属的其它系统很大程度上不实用的环境中使用，其可以影响AC磁性或脉冲DC磁性系统。因此，本系统可以在飞行器、坦克、装甲车辆、消费者可穿戴显示器、用于轮椅限制用户的运动指示、以及其它商业或军事应用中实施。
[0017]本系统也确实不具有光学追踪器具有的弱点，因为它对于干涉光源不受影响。此夕卜，本方法避免了现有的AC或脉冲DC系统在其中存在金属的环境中的涡流问题。
[0018]图1图示出根据一个实施例的运动追踪系统100。追踪系统100被配置成追踪其中可能存在磁性扭曲的感兴趣体积104内(诸如，例如飞行器的座舱中)的对象102。追踪系统100包括第一磁源108，其被配置成例如由永久磁铁或DC电磁铁生成第一静态磁场110。多个磁性传感器112(例如接收器三元组)位于对象102上并且被配置成检测静态磁场110。如下文进一步描述的，磁源108被固定在第一坐标框架中，并且当对象102移动时磁性传感器112位于相对于第一坐标框架可移动的第二坐标框架中。磁性传感器112在对象上的几何位置可以相对于彼此被固定或可变。
[0019]处理器单元114被配置成从磁性传感器112接收磁场数据并且与存储器单元116进行操作通信。处理器单元114基于来自磁性传感器112的磁场数据和存储在存储器单元116中的其它信息来计算和输出对象102的估计位置和取向。
[0020]图1还图示出其中采用两个磁源的另外的实施例。因此，被配置成生成第二静态磁场120的第二磁源118被定位成与第一磁源108分开固定的距离(d)。磁源108和118被配置成生成具有不同取向的轴的偶极场。磁源108和118允许系统100以高达六个自由度来追踪对象102的运动。
[0021]图2是用于运动追踪系统的磁源、磁性传感器、以及坐标的设置方法200的功能框图。最初，定义用于追踪的坐标框架，例如坐标框架A和坐标框架B(相对于框架A的追踪框架B)(块210)。然后设置固定在坐标框架A中的至少一个磁源(块212)。还设置位于坐标框架B中的磁性传感器(块214)。例如，在用于飞行器的飞行员头部追踪系统中，飞行器FSBL WL框架(参见图4B)对应于坐标框架A，并且O’X’Y’Z’传感器坐标(参见图4C)对应于坐标框架B。然后在坐标框架A中定义磁场模型或磁场数据库(块216)。在坐标框架B中定义具有不确定性的磁性传感器测量模型(块218)。
[0022]图3是用于在本运动追踪系统中使用的估计过程300的流程图。进行框架B在框架A中的位置和取向的初始猜测(块310)。然后计算框架B在框架A中的位置和取向的估计(块312)。然后计算传感器在框架A中的位置和取向的估值(块314)。然后确定传感器在框架A中的估计位置处的静态磁场的估计(块316)。还获得静态磁场的传感器的真实测量(块318)。进行已估计静态磁场与静态磁场的传感器的真实测量的比较，以确定已估计静态磁场是否处在接受阈值范围内(块320)。
[0023]如果被估计的静态磁场是不可接受的，则运行标准优化搜索算法(块322)，并且通过返回到块312来重复方法300以再次估计框架B在框架A中的位置和取向。优化搜索算法的示例为列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt)技术，如对于本领域的普通技术人员将显而易见的。如果已估计静态磁场在块320处是可接受的，则输出框架B的已估计位置和取向(块324)。
[0024I图4A-4C图示出根据一个实施例的用于运动追踪系统400的示例性设置。如图4A中所示，一对磁偶极410和412被安装在彼此分开的固定距离(d)处，例如在飞行员将就坐的地方的前面的飞行器的座舱中。磁偶极410被配置成生成第一静态磁场420，并且磁偶极412被配置成生成第二静态磁场422。多个磁性传感器430、432和434位于对象436(例如飞行员头部)上，并且被配置成检测静态磁场420和422。
[0025]磁偶极410和412可以定位在用于飞行器430的FS-BL-WL(XYZ)坐标中，例如图4B中所描绘的。在一个实施例中，磁偶极410和412沿着飞行器BL轴位于离彼此固定距离处。在此实施例中，磁偶极410具有它的与飞行器FS轴对准的磁性z轴，并且磁偶极412具有它的与飞行器WL轴对准的磁性z轴。磁性传感器430、432和434位于传感器坐标O’X’ Y’ Z’(例如，飞行员的头部)中，例如图4C中所示。
[0026]当系统400针对飞行员头部追踪被实施时，飞行员的头部以在磁偶极410的坐标中定义的高达六个自由度自由移动。这允许以高达六个自由度来测量飞行员的头部的位置和取向。
[0027]图5图示出用于根据另一个实施例的运动追踪系统500的示例性设置。磁偶极510被配置成生成静态磁场520。多个磁性传感器530、532和534位于对象(例如飞行员的头部)上，并且被配置成检测静态磁场520。磁偶极510被定位在磁场坐标OXYZ中，例如机身坐标。定义传感器坐标O’X’Y’Z’，例如头部传感器坐标。磁性传感器530、532和534位于传感器坐标O’X’Y’Z’中。
[0028]在运动追踪系统500的操作期间，传感器坐标O ’ X ’ Y ’ Z ’在磁场坐标OXYZ空间中移动和旋转。传感器坐标的位置由在坐标OXYZ中的它的原点O ’的位置(XYZ)定义。传感器坐标的旋转角度(姿态)由关于坐标OXYZ的欧拉角(phi，theta，psi)定义。传感器在坐标OXYZ中的位置可以从它们在传感器坐标O’X’Y’Z’中的位置、原点O’的位置(XYZ)、以及欧拉角导出。传感器的位置可以由仰角(el)和方位角(az)进一步定义。感测磁场是VxVyVz (在传感器坐标011’2’中定义)，并且可以使用欧拉角将其转换成BxByBz (其在坐标O