HyTrack技术总监近期接受采访时介绍了关于该定位系统的一些技术问题,其中聊到了该系统定位的基本原理是什么。
HyTrack——最精确的毫米级定位系统
在讲解了跟踪技术之后,陈禄介绍了HYPEREAL自主研发的灯塔技术原理。
灯塔定位技术的最早原型是在1989年被提出的Minnesota Scanner,其原理就是利用扫描激光面对于空间进行编码进而对物体做跟踪。
而后有很多人基于相似原理做了改进用于不同领域的应用中。Valve之前首先把它成功的带到了VR消费电子领域。
陈:这是我们公司自己研发的比较早期的原型,做得比较裸。
左边是灯塔,有两个电机,电机上面有透镜,这里有一个小动画演示灯塔的结构,可以看到通过透镜把一束激光变为一个扇面,再利用电机使得激光面匀速扫描。
中间的部分是我们头显的早期原型,上面有很多小的线路板就是我们自己制作的传感器模块,每一个中心有一个光电二极管。
传感器把光信号转成电信号再到数字信号,然后传到计算机里。
基本原理如上图,左边这一块是激光扫描扇面的顶视图,激光会从一个基准位置开始向下扫。
在扫过基准位置时刻,我们会发射一个无线同步信号。蓝线是扫到每个光电二极管的激光面。
右边的图是传感器上面的时序图,从收到无线同步信号的时候开始计时,当被光扫过的时候,会留下一个很小的间距的光脉冲。
测量脉冲中点时刻,结合电机转速,我们可以计算得到该扫描面相对基准平面的夹角。
这样我们就知道这个点处在空间当中哪一个平面上。通过两个方向的扫描,被照到的传感器点我们可以确定其在空间当中的某条直线上。
在这里我们和VIVE采用了不同的技术方案,他们使用的光同步,灯塔会有LED灯。
无线同步的好处是,灯塔之间不用同步线连接了,或者灯塔不用互相对着摆放。
两种方案在工程实现上的区别很大,测量手段也会不一样,但是本质上都是为了获得同步信号时间。
而后是算法逻辑,这主要基于一个数学模型。
我们通过光学系统所得到的其实是两个角度,这样就可以知道,这个物体的某些点在投影平面上的坐标。
这里等同于一个小孔成像的相机模型,也可以很好地表达成一个线性的约束。
在静止状态下我们已知传感器点的相对位置,当物体运动过之后,可以得到某些点的扫描观测值,因为它被照到,它会处在这个空间当中某两个面的交线上。
这个可以很好的写成一个线性约束表达式,可以把它们联立起来,相当于做一个最优化的问题,我需要求解在满足这些约束情况下最优的旋转和平移。
这个问题其实是一个比较标准的问题,求解的方法也非常多,其实在视觉领域,对这类问题有很多人做过不同的方法。
比如说你怎么样参数化你的旋转,就会有不同的方法,基本上这个应该算是一个比较成熟的问题。
这就是我们的算法流程图。
以上我们提到的是激光系统的原理,但不要忘了,在头盔和手柄上还可以利用IMU。
其实在有陀螺仪、加速器和磁力器的情况下,IMU本身也可以做定位工作,但是它有个很大的问题——会漂移。
其实我们对这个物体姿态有两个数据来源,一个是IMU,一个是激光系统,这两套系统理论上都可以独立对这个姿态进行估计,IMU的好处是采样频率高在短时间内相对来说比较精确。
坏处是稍微长一点时间就会有较大漂移。而激光系统则是在大尺度下相对比较精确,但是它可能被遮挡和有误差。
我们要做的工作之一就是怎么把这两个信号融合在一起。
这就是我们HyTrack定位系统的基本原理。
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