HyTrack定位系統(tǒng)的基本原理是什么

HyTrack技術(shù)總監(jiān)近期接受采訪時(shí)介紹了關(guān)于該定位系統(tǒng)的一些技術(shù)問題，其中聊到了該系統(tǒng)定位的基本原理是什么。

HyTrack——最精確的毫米級定位系統(tǒng)

在講解了跟蹤技術(shù)之后，陳祿介紹了HYPEREAL自主研發(fā)的燈塔技術(shù)原理。

燈塔定位技術(shù)的最早原型是在1989年被提出的Minnesota Scanner，其原理就是利用掃描激光面對于空間進(jìn)行編碼進(jìn)而對物體做跟蹤。

而后有很多人基于相似原理做了改進(jìn)用于不同領(lǐng)域的應(yīng)用中。Valve之前首先把它成功的帶到了VR消費(fèi)電子領(lǐng)域。

陳：這是我們公司自己研發(fā)的比較早期的原型，做得比較裸。

左邊是燈塔，有兩個(gè)電機(jī)，電機(jī)上面有透鏡，這里有一個(gè)小動(dòng)畫演示燈塔的結(jié)構(gòu)，可以看到通過透鏡把一束激光變?yōu)橐粋�(gè)扇面，再利用電機(jī)使得激光面勻速掃描。

中間的部分是我們頭顯的早期原型，上面有很多小的線路板就是我們自己制作的傳感器模塊，每一個(gè)中心有一個(gè)光電二極管。

傳感器把光信號轉(zhuǎn)成電信號再到數(shù)字信號，然后傳到計(jì)算機(jī)里。

基本原理如上圖，左邊這一塊是激光掃描扇面的頂視圖，激光會(huì)從一個(gè)基準(zhǔn)位置開始向下掃。

在掃過基準(zhǔn)位置時(shí)刻，我們會(huì)發(fā)射一個(gè)無線同步信號。藍(lán)線是掃到每個(gè)光電二極管的激光面。

右邊的圖是傳感器上面的時(shí)序圖，從收到無線同步信號的時(shí)候開始計(jì)時(shí)，當(dāng)被光掃過的時(shí)候，會(huì)留下一個(gè)很小的間距的光脈沖。

測量脈沖中點(diǎn)時(shí)刻，結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速，我們可以計(jì)算得到該掃描面相對基準(zhǔn)平面的夾角。

這樣我們就知道這個(gè)點(diǎn)處在空間當(dāng)中哪一個(gè)平面上。通過兩個(gè)方向的掃描，被照到的傳感器點(diǎn)我們可以確定其在空間當(dāng)中的某條直線上。

在這里我們和VIVE采用了不同的技術(shù)方案，他們使用的光同步，燈塔會(huì)有LED燈。

無線同步的好處是，燈塔之間不用同步線連接了，或者燈塔不用互相對著擺放。

兩種方案在工程實(shí)現(xiàn)上的區(qū)別很大，測量手段也會(huì)不一樣，但是本質(zhì)上都是為了獲得同步信號時(shí)間。

而后是算法邏輯，這主要基于一個(gè)數(shù)學(xué)模型。

我們通過光學(xué)系統(tǒng)所得到的其實(shí)是兩個(gè)角度，這樣就可以知道，這個(gè)物體的某些點(diǎn)在投影平面上的坐標(biāo)。

這里等同于一個(gè)小孔成像的相機(jī)模型，也可以很好地表達(dá)成一個(gè)線性的約束。

在靜止?fàn)顟B(tài)下我們已知傳感器點(diǎn)的相對位置，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)過之后，可以得到某些點(diǎn)的掃描觀測值，因?yàn)樗�被照到，它�?huì)處在這個(gè)空間當(dāng)中某兩個(gè)面的交線上。

這個(gè)可以很好的寫成一個(gè)線性約束表達(dá)式，可以把它們聯(lián)立起來，相當(dāng)于做一個(gè)最優(yōu)化的問題，我需要求解在滿足這些約束情況下最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)和平移。

這個(gè)問題其實(shí)是一個(gè)比較標(biāo)準(zhǔn)的問題，求解的方法也非常多，其實(shí)在視覺領(lǐng)域，對這類問題有很多人做過不同的方法。

比如說你怎么樣參數(shù)化你的旋轉(zhuǎn)，就會(huì)有不同的方法，基本上這個(gè)應(yīng)該算是一個(gè)比較成熟的問題。

這就是我們的算法流程圖。

以上我們提到的是激光系統(tǒng)的原理，但不要忘了，在頭盔和手柄上還可以利用IMU。

其實(shí)在有陀螺儀、加速器和磁力器的情況下，IMU本身也可以做定位工作，但是它有個(gè)很大的問題——會(huì)漂移。

其實(shí)我們對這個(gè)物體姿態(tài)有兩個(gè)數(shù)據(jù)來源，一個(gè)是IMU，一個(gè)是激光系統(tǒng)，這兩套系統(tǒng)理論上都可以獨(dú)立對這個(gè)姿態(tài)進(jìn)行估計(jì)，IMU的好處是采樣頻率高在短時(shí)間內(nèi)相對來說比較精確。

壞處是稍微長一點(diǎn)時(shí)間就會(huì)有較大漂移。而激光系統(tǒng)則是在大尺度下相對比較精確，但是它可能被遮擋和有誤差。

我們要做的工作之一就是怎么把這兩個(gè)信號融合在一起。

這就是我們HyTrack定位系統(tǒng)的基本原理。