产生信标信号的方法及装置与流程

本发明涉及虚拟现实(virtualreality，vr)技术，尤其涉及一种产生信标信号的方法及装置。

背景技术：

vr系统在诸如电动游戏，建筑设计以及虚拟训练等许多应用中越来越受到欢迎。当前的vr应用，包括基于移动电话和基于非移动电话的，一般使用诸如计算机显示器等显示设备、vr耳机及/或vr扬声器来使用户沉浸于使用视觉或视听效果的虚拟环境中。为了允许用户与虚拟环境交互，传感器可以感应诸如用户身体的位置等信息，并提供这些信息至vr系统以基于用户的移动来更新虚拟环境。在vr系统中已经使用的传感器例如包括：运动追踪摄影机以及手持型运动追踪遥控器。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种产生信标信号的方法及装置。

本发明实施例提供了一种产生信标信号的装置，其中该信标信号用来确定目标的位置及/或定向，该装置包括：控制电路，用于：使用第一二进制控制信号控制耦合至第一线圈的第一驱动器，以使得该第一线圈产生第一磁场；使用第二二进制控制信号控制耦合至第二线圈的第二驱动器，以使得该第二线圈产生第二磁场；以及使用具有斜坡响应的激活电路来激活该第一驱动器。

其中，该斜坡响应达到其最大值所需时间大于50μs，及/或，该斜坡响应包括至少两个步骤。

其中，该第一驱动器表现出共振频率响应，其中使用该第一二进制控制信号控制耦合至该第一线圈的该第一驱动器包括：将该第一驱动器操作为非共振。

其中，使用具有该斜坡响应的该激活电路来激活该第一驱动器包括：提供随时间增加的电源电压至该第一驱动器。

本发明实施例提供了一种产生信标信号的装置，其中该信标信号用来确定目标的位置及/或定向，该装置包括：第一驱动器，耦合至第一线圈，用于驱动该第一线圈产生第一磁场；第二驱动器，耦合至第二线圈，用于驱动该第二线圈产生第二磁场；以及激活电路，用于激活该第一驱动器和该第二驱动器中的至少一个；其中，该第一驱动器和该第二驱动器均包括：开关放大器，并且该激活电路具有斜坡响应。

其中，该第一驱动器和该第二驱动器均表现出共振频率响应，及/或，该斜坡响应达到其最大值所需时间大于50μs。

其中，进一步包括：控制电路，耦合至该第一驱动器和该第二驱动器，用于控制该第一驱动器和该第二驱动器操作为非共振。

其中，该激活电路，具体用于提供逐渐增加的电源电压至该第一驱动器和该第二驱动器中的至少一个。

本发明实施例提供了一种产生信标信号的方法，其中该信标信号用来确定目标的位置及/或定向，该方法包括：使用第一二进制控制信号控制耦合至第一线圈的第一驱动器，以使得该第一线圈产生第一磁场；使用第二二进制控制信号控制耦合至第二线圈的第二驱动器，以使得该第二线圈产生第二磁场；以及使用具有斜坡响应的激活电路来激活该第一驱动器。

其中，该使用具有斜坡响应的激活电路来激活该第一驱动器的步骤包括：提供随时间增加的电源电压至该第一驱动器。

其中，该第一驱动器表现出共振频率响应，其中使用该第一二进制控制信号控制耦合至该第一线圈的该第一驱动器的包括：将该第一驱动器操作为非共振。

其中，该第一磁场和该第二磁场互相正交，以及/或，该该斜坡响应达到其最大值所需时间大于50μs。

其中，进一步包括：使用第三二进制控制信号控制耦合至第三线圈的第三驱动器，以使得该第三线圈产生第三磁场；使用该驱动电路来激活该第二驱动器以及该第三驱动器。

其中，进一步包括：使用设置于该目标上的传感器来接收该第一磁场和该第二磁场；以及根据接收的该第一磁场和该第二磁场来确定该目标的位置及/或定向。

其中，产生该第一磁场和产生该第二磁场包括：使该第一线圈产生第一突发脉冲，使该第二线圈产生第二突发脉冲，并且该第一突发脉冲和该第二突发脉冲彼此不重叠。

其中，该第一二进制控制信号具有第一频率，该第二二进制控制信号具有不同于该第一频率的第二频率。

其中，该斜坡响应包括：多个步骤，该多个步骤至少包含第一、第二和第三步骤，该第一步骤与该第二步骤通过第一时间间隔分开，该第二步骤与该第三步骤通过第二时间间隔分开，该第一时间间隔和该第二时间间隔具有与该第一二进制控制信号的基波及/或该第一线圈的共振频率成反比的持续时间。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例的产生信标信号的方法及装置，具有功耗低及支持高采样率等优点。

附图说明

所附的附图并非按比例绘制。在附图中，各图中相同或类似的元件用相同的数字标示。出于简洁的目的，并非每个元件均标记在每图中。

图1a为根据一些非限制的实施例的vr环境的示意图，其中该vr环境使用磁感应来追踪用户的身体部位的位置；

图1b为一种合适的用来磁性追踪用户的身体部位的位置的系统的框图；

图2为三个互相正交的磁场的振幅以及传感器处接收到的磁场的振幅的示意图；

图3为根据一些非限制的实施例的控制电路的电路示意图；

图4为根据一些非限制的实施例的曲线图，该曲线图示出了图3的控制电路的可能的共振响应；

图5为根据一些非限制的实施例的一步激活驱动器时流过线圈的电流的示意图；

图6a至6d为根据一些非限制的实施例的逐渐激活驱动器时流过线圈的电流的示例图；

图7为根据一些非限制的实施例的斜坡响应的具体示例的曲线图。

具体实施方式

发明者已经意识到并且理解：当前在vr应用中使用的基于磁的追踪系统要么受到采样率不佳，要么受到高功率消耗的困扰。因此，市场缺少很多价格适中的能够无缝地追踪身体部位或其他元件的实时运动以及同时还采用电池供电的产品。基于磁的追踪系统在vr应用(诸如游戏、远程手术、多媒体以及军事应用等)中使用以实时地追踪一个或者更多目标在空间中的位置。具体地，目标的位置可以通过放置在周围环境中的信标和放置在被追踪的目标上的传感器之间的磁感应来确定。信标提供的用来确定目标的位置及/或定向(orientation)的信号被称为信标信号。

为了准确地追踪诸如手臂、手指或者身体的其他部位等目标的实时运动，在一些应用中，系统能够提供足够高的采样率(即，随时间确定目标的位置的速率)是非常重要的。例如，某些应用可能要求采样率高达400hz。但是，与基于磁的追踪系统有关的一个挑战是采样率与功率消耗之间的平衡。也就是说，设计为高采样率的系统一般表现出高功率消耗，因此使得电池供电的实施方案面临挑战。另外，现有的系统的体积也很庞大，因此限制了系统的可移植性，并因此限制了系统可以部署的应用程序的类型。

认识到这些挑战，发明者开发了用于vr应用的磁追踪系统，其具有低功率消耗，高采样率以及结构紧凑等特点。本申请的一些实施例直接涉及vr追踪系统，该vr追踪系统通过使用开关放大器来驱动磁发射器，从而能够实现低功率消耗。相比于传统的线性放大器驱动器，发明者所使用的开关放大器能够降低流过电阻的电流，并因此降低功耗。

另外，发明者开发的该系统通过将基于共振的信标操作为非共振，提供对磁场振幅的稳定控制，并因此提供准确的位置测量。相应地，发明者意识到，操作信标远离其共振会使得磁场的振幅不易受到共振频率中不期望变化的影响，该共振频率的不期望变化可能是由于温度、工艺变化或其他原因所导致的。事实上，频率响应在接近共振的频谱区域比远离共振的频谱区域更陡。因此，共振中不期望的变化会导致接近共振的振幅的实质改变，但是远离共振的振幅变化则不严重。

使用开关放大器进行非共振操作的一个缺点是：这些类型的放大器相比线性放大器，需要花费更长的时间来达到稳定状态。换言之，开关放大器表现出更长的过渡时间(transienttime)，在该过渡时间内，磁场的振幅可能太不稳定而不能够支撑准确的位置测量。至少在某些情况下，该长时间的过渡由如下事实所引起：由于非共振操作引起的跳动音(beatingtone)，以及该跳动音需要很长时间来衰减。具体地，跳动音可能由两个信号的干扰引起，该两个信号包括：共振频率处振荡的音调，以及驱动信号，该驱动信号可以具有不同于该共振频率的基频。

尽管如此，发明人已经意识到：通过使用由具有斜坡响应的电路激活的开关放大器能够克服(或者至少限制)上述缺点。斜坡响应的例子包括：采用至少两个步骤的阶跃响应(steppedresponse)。使用具有斜坡响应的电路使得能够逐渐地激活开关放大器，从而可以加速跳动音的衰减。该加速导致更短的过渡时间。更短的过渡时间反过来使得更高的采样率成为可能，因为可以降低对目标的位置的准确采样所需的时间。

图1a为根据一些非限制性实施例的基于磁的追踪系统的原理图。图1a的左边部分示出了沿相互正交的轴定向的三个线圈。线圈102沿x轴定向，线圈104沿y轴定向，以及线圈106沿z轴定向。需要注意的是：其他实施例可能使得线圈基本上相互正交(如，彼此之间的角度在80°至100°之间)。线圈可以采用任何合适的方式形成，例如包括：通过在支架周围多次地缠绕导电线来形成。可以采用ac(alternatecurrent)来驱动线圈，并因此可以经由电磁感应来发射磁场。发射的磁场能够在空间上传播并且到达被追踪的目标的位置。图1a的右边部分示意性地示出了用户的手。如所示，在此情形中，多个传感器200设置在用户的手上。每个传感器200可以用来追踪用户身体的各个部位的运动，诸如手指，手掌/手背，手腕等等。传感器200可以包括：线圈或者其他的磁探测器，用来感应线圈102，104和106提供的磁场。传感器200可以将表示感应到的磁场的信号传递至位置追踪电路210。位置追踪电路210经由有线(如图1a所示)或无线方式连接至传感器200，其中无线方式包括：wi-fi或蓝牙，等等。虽然在图1a中将传感器200和位置追踪电路210示意为分开的元件，但是在其他实施例中，一个或者更多的传感器200可以在其中包含位置追踪电路210。例如，传感器200和位置追踪电路210可以设置在相同的封装里，并且该封装可以设置在被追踪的目标上。

根据接收的磁场的振幅，可以确定传感器200的位置，并因此确定传感器200设置在其上的身体部位的位置。一般地，磁场的振幅随着其远离其源传播而衰减。例如，在远场区(far-fieldzone)出现的球形磁场波以1/r²衰减，其中r为距源的距离。因此，假设系统已经预先校正，那么通过确定三个发射的磁场中每个的振幅就可以确定出传感器200相对于源的位置。

图1b为实施图1a中描述的技术的系统的框图。在此情形中，控制电路110提供ac驱动电流至线圈102，104和106。控制电路110可以包括：放大器和用于为磁场的发射定时的电路。控制电路110和线圈102，104及106可以一起被称为信标。当然，信标也可以包括此中没有描述的其他元件。在接收器侧，在此情形中，每个传感器200包括：三元组线圈202，204和206，均连接至位置追踪电路210。线圈202，204和206可以定向在相互正交(或者至少基本上相互正交)的方向上。可以理解的是，线圈202，204和206的定向可以不同于线圈102，104和106的定向。例如，虽然线圈102，104和106可以与xyz坐标系一致地定向，但是线圈202，204和206也可以相对于这样的坐标系旋转。在这些情况中，每个接收线圈不仅接收该三个发射的磁场之一，而且可能接收他们中的所有。因此，确定身体部位相对信标的位置可能涉及矩阵变换，该矩阵变换可以由位置追踪电路210执行。除了或替代确定目标的位置，矩阵变换可以提供目标的定向。事实上，在一些应用中，不仅确定目标的位置重要，而且确定目标的定向也重要。

图1a～1b描述的实施例使得发射器是固定的(信标)而接收器是移动的(传感器)。但是，在一些实施例中，相反的配置也是可行的。也就是说，磁场发射器可以设置在被追踪的身体部位上而接收电路设置在固定的接收器上，其中矩阵转换在接收器上执行。

图2为示出了在至少一些实施例中如何设计磁场的示意图。htx，hty，htz分别表示三个发射磁场的振幅。该三个磁场具有基本相互正交的方向。在一个示例中，htx由线圈102发射，hty由线圈104发射，以及htz由线圈106发射。如图2所示，磁场可以采用突发的方式发射。也就是，首先发射htx突发脉冲(burst)，接着发射hty突发脉冲，再接着发射htz突发脉冲(当然三个突发的发射顺序可以改变)。δt1表示突发的持续时间，例如可以介于200μs至800μs之间，介于200μs至600μs之间，介于300μs至500μs之间，介于350μs至450μs之间，或者介于390μs至410μs之间。δt2表示一个突发与下一个突发之间的间隔，例如可以介于200μs至600μs之间，介于300μs至500μs之间，介于370μs至470μs之间，或者介于410μs至430μs之间。

hrx，hry和hrz表示在传感器200处接收到的磁场的振幅。在一个例子中，hrx在线圈202处被接收，hry在线圈204处被接收，hrz在线圈206处被接收。在这种情形下，线圈202，204和206相对于线圈102，104和106旋转。因此，每个接收的信号均为三个发射的磁场的组合。传感器200的位置可以通过求解矩阵变换方程式系统来确定。

至少在一些实施例中，可以通过在相邻组的突发之间包含暂停来实现接收器与发射器的同步。例如，信标可以发射以下序列：x突发，y突发，z突发，暂停，x突发，y突发，z突发，暂停，等等。在该方式中，接收器知道当侦测到暂停时，接下来为x突发。

如上所述，控制电路110使用ac信号来驱动线圈102，104和106。在一些实施例中，控制电路110可以使用开关放大器来驱动线圈。此中描述的类型的开关放大器可以操作为电子开关而不是线性增益级。开关放大器例如可以被配置为根据控制信号而在电源轨(supplyrails)之间切换。图3示出了示例的电路，该电路包含：开关放大器，并且至少在一些实施例中作为控制电路110使用。

图3的控制电路包括：驱动器302，304和306。每个驱动器驱动各自的线圈lx，ly和lz(分别充当线圈102，104和106)。也就是说，驱动器提供ac电流至各自的线圈，线圈作为响应产生磁场。驱动器302包括：晶体管t1和t2，电容cx，线圈lx和激活电路322。驱动器304包括：晶体管t3和t4，电容cy，线圈ly和激活电路324。驱动器306包括：晶体管t5和t6，电容cz，线圈lz和激活电路326。晶体管t1和t2用于接收二进制的控制信号vx，因此可表现为一开关放大器(如，d类放大器)。在其他配置中，晶体管t1和t2可以被配置为cmos反相器或者含有双极型晶体管的反相器。bicmos实施方案也是可行的。晶体管t3和t4(接收二进制控制信号vy)以及晶体管t5和t6(接收二进制控制信号vz)可以采用类似的方式配置。虽然激活电路322，324和326示出为分开的元件，但是在一些实施例中，多个驱动器(如，所有的驱动器)可以共同使用单个激活电路。

因为上述晶体管接收二进制控制信号，因此上述晶体管可以仅在高态(如，当输出电压锁定至较高的电源轨vdd时)中操作于阈值之上。反过来，这又可以将流过晶体管的电流限制至某些时间间隔，从而限制驱动器的整个功率消耗。电容cx和线圈lx(类似地，电容cy和线圈ly，电容cz和线圈lz)可以配置为使驱动器表现出共振频率响应。共振的频率可以取决于电容的电容值以及线圈的电感值等参数。例如，共振频率fx0可以由(lxcx)^-1/2/2π给出，fy0可以由(lycy)^-1/2/2π给出，以及fz0可以由(lzcz)^-1/2/2π给出。在图4中示出了具有共振频率f0的共振响应。驱动器302，304和306中的任何一个可以表现出类似于图4所示的响应。在一些实施例中，lxcx＝lycy＝lzcz，尽管并非所有的实施例都在这方面受到限制。

在一些实施例中，驱动器可能会被驱动为非共振。也就是说，控制信号vx，vy和vz的基波(fsw)不同于驱动器的共振频率。进一步如图4所示，频率fsw不同于(在此情形中为大于)频率f0。发明者可以理解的是：操作驱动器为非共振使得能够准确地控制发射的磁场的振幅。事实上，远离共振的频率响应的振幅比接近共振的频率响应的振幅更加地平缓。因此，磁场的振幅不易受到共振频率f0的变化的影响，共振频率f0的变化例如由工艺和温度变化所引起。在一些实施例中，二进制控制信号vx，vy和vz可以具有相互不同的基波。例如，vx的基波为fx，vy的基波为fy，vz的基波为fz，其中fx≠fy≠fz。在一个具体的示例中，三个基波中的中间基波与另外两个基波等距离(即，fx-fy＝fy-fz，或者fx-fy＝(fx-fz)/2)。在另一具体示例中，第一和第二基波的比值可以等于第二和第三基波的比值。例如，fy/fx＝fz/fy＝a，其中a为正实数。

将驱动器操作为非共振所导致的缺陷是：在|fsw-f0|处振荡的跳动音出现。跳动音可能导致磁场包络的周期性波动。由于该波动消极地影响传感器200确定其位置的能力，因此该波动是不受期望的。跳动音随时间衰减，但是该衰减时间可能很长。这转化为可以对传感器200的位置进行采样的最大速率的降低。发明者已经理解的是：通过以逐渐的方式(例如，使用具有斜坡响应的电路)激活突发，能够实质上地缩短跳动音的过渡时间。

参考回图3，驱动器进一步包括：激活电路322，324和326。在一些情形中，激活电路可以全部以相同的方式实现，尽管不是所有实施例均对这方面进行限制。激活电路用于以逐渐的方式耦合驱动器至电源轨vdd。例如，激活电路可以展现出斜坡响应。斜坡响应可以表现出逐渐增加的过程，以及/或至少部分地是连续(如，线性)的。因此，驱动器可以以渐近的方式被激活。当驱动器以此中方式逐渐地激活时，跳动音的过渡时间缩短。在至少一些实施例中，此中描述的类型的斜坡响应可以为单调的(monotonic)。在一些实施例中，斜坡响应可以在超过50μs或100μs时到达其最大值。

以下示例示出了逐渐地激活动驱器如何能够缩短跳动音的持续时间。图5示出了驱动器没有被逐渐地激活的示例。也就是说，驱动器直接从较低的电源轨(0v)激活至较高的电源轨(vdd)。曲线502表示激活电路的响应，该激活电路使用突然的激活。曲线504表示当根据曲线502激活驱动器时线圈中流过的电流。如所示，由于存在衰减非常慢的跳动音，因此电流的包络波动。尽管在本示例中仅示出了500μs的窗口，但是稳定状态仅在激活电路(在t＝0时激活电路)2ms后才达到。那意味着在接收传感器200能够产生准确地位置测量之前，需要花费至少2ms的时间。如此，在此配置中能够得到的最高采样率接近166.67hz(1/2ms＝500hz除以3，3为突发的数量)，该采样率在某些vr应用中可能并不足。

图6a，6b，6c，6d示出了驱动器逐渐地被激活的示例。曲线602a,602b,602c,以及602d为激活电路的4个响应。在图6a中，在大约140μs以及4个步骤内到达更高的电源轨。对应地流过线圈的电流(604a)在大约400μs内到达稳定状态。在图6b中，在大约100μs及4个步骤内到达更高的电源轨。对应地流过线圈的电流(604b)在大约450μs内到达稳定状态。在图6c中，在大约90μs以及4个步骤内到达更高的电源轨。对应地流过线圈的电流(604c)在大约500μs内到达稳定状态。在图6d中，在大约80μs以及4个步骤内到达更高的电源轨。对应地流过线圈的电流(604d)在大约600μs内到达稳定状态。因此，可以得到超过600hz的采样频率。

图6a～6d描述的示例中，仅示出了一个突发。但是可以理解的是，至少在一些实施例中，此中描述的逐渐的激活(如通过使用具有斜坡响应的电路)方案可以应用至所有突发。

在上述描述的实施例中，通过使用驱动电路322，324和326来实现驱动器的逐渐激活。但是，可以使用任何能够实现逐渐激活驱动器的其他方案。例如，在一些实施例中，控制信号vx，vy和vz在被提供至晶体管之前，可以乘上具有斜坡形状(类似于上面描述的斜坡响应)的窗口函数(windowfunctions)。

如所示，例如通过增加驱动器的激活时间，可以降低过渡时间。其他可能影响过渡时间的参数包括：步骤数，每个步骤的持续时间，以及步骤中非连续(discontinuities)的大小。增加步骤数可以进一步降低过渡时间，但是这也可能需要更加复杂的控制电路。

图7示出了斜坡响应的具体示例。在此示例中，步骤1从0v跳(在t＝0处)至vmax/2。步骤2从vmax/2跳(在t＝0.5/(fsw-f0)-0.5/fsw处)至vmax/2+(7/16)vmax。步骤3从vmax/2+(7/16)vmax跳(在t＝1.5/(fsw-f0)-0.5/fsw处)至vmax/2+(7/16)vmax+(1/32)vmax。步骤4从vmax/2+(7/16)vmax+(1/32)vmax跳(在t＝2.5/(fsw-f0)-0.5/fsw处)至vmax。在一些实施例中，步骤跳跃的时间可能略微偏离上述值(例如，偏离10％或更少或5％或更少)和/或响应的幅度可能略微偏离上述值(例如，偏离10％或更少或5％或更少)。

一般地，跳变之间(或者所有跳变中的至少一些)的时间间隔可以具有正比于1/(fsw-f0)，1/fsw，及/或1/f0的持续时间，仅管不是所有实施例均在这方面进行限制。当然，不是所有实施例均限制为具有图7所示的4个步骤，其他任意合适的步骤数均可以被包括。需要进一步注意的是：虽然第7图的步骤示例为垂直段，但是在一些实施例，他们可以具有微小的倾斜。

在权利要求中使用诸如“第一”，“第二”，“第三”等的序数术语来修饰所请求的元素本身并不意味着一个请求的元素相比于另一个，具有更高的优先级，优先权或顺序。或者执行方法的动作的时间顺序，这仅用作标签以将具有特定名称的一个所请求的元素与具有相同名称的另一个元素(但是使用了序数术语)区分，以区分请求的元素。

此外，这里使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被视为限制。本文中“包括”，“包含”，“具有”，“含有”或“涉及”及其变化形式的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。

“耦合”或“连接”的使用意味着电路元件或信号彼此直接连接或通过中间组件连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。