DE69938178T2

DE69938178T2 - Bewegungsverfolgungssystem

Info

Publication number: DE69938178T2
Application number: DE69938178T
Authority: DE
Inventors: Eric M. Arlington FOXLIN
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: HK1039884B; JP4690546B2; CN1308505A; US6176837B1; CN100522056C; US7395181B2; US6409687B1; EP1071369A1; EP1071369A4; WO1999053838A1; US20040143176A1; US20030045816A1; EP1071369B1; TW497967B; ATE386463T1; JP2002512069A; DE69938178D1; HK1039884A1

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft die Bewegungsverfolgung.
Die Bewegungsverfolgung kann eine Vielzahl an Messmoden enthalten, welche inertiale und akustische Messmoden enthalten, um den Ort und die Richtung bzw. Orientierung eines Körpers zu bestimmen.
Die Inertialbewegungsverfolgung basiert auf dem Messen der Linearbeschleunigung und Winkelgeschwindigkeit um eine Gruppe an üblicherweise orthogonalen Achsen herum. In einem Ansatz erzeugen mehrere sich drehende Gyroskope Kräfte, welche zu den Geschwindigkeiten proportional sind, mit welchen sich die Drehachsen derselben in Erwiderung auf die Drehung eines verfolgten Körpers drehen, an welchem die Gyroskope angebracht sind. Diese Kräfte werden gemessen und verwendet, um die Winkelgeschwindigkeit des Körpers zu schätzen. Statt Gyroskopen können mikrobearbeitete Vibrationselemente und auf optischen Wellenleitern basierende Vorrichtungen verwendet werden.
Beschleunigungsmesser erzeugen Signale, welche zu Kräften proportional sind, welche sich aus der Linearbeschleunigung ergeben. Bei einem Inertialverfolgungssystem werden die Signale der Winkelgeschwindigkeit und Beschleunig integriert, um die Lineargeschwindigkeit, Linearverschiebung und gesamten Drehwinkel zu bestimmen.
Da die durch gyroskopische Vorrichtungen erzeugten Signale geräuschvoll bzw. rauschig sind, führt der Integrationsprozess zur Akkumulation von Rauschkomponenten, welche im Allgemeinen als „Drift" bekannt ist. Miniaturisierte und kostengünstige, gyroskopische Vorrichtungen weisen üblicherweise einen gößeren Fehler auf. Die Driftgeschwindigkeiten können so hoch wie mehrere Grad pro Sekunde für einen Körper in der Ruhestellung und mehrere Grad für jede Drehung des Körpers um 90 Grad betragen. Fehler in Orientierungsschätzungen beeinträchtigen auch die Ortschätzung, da die geschätzte Orientierung des Körpers zum Umwandeln der Beschleunigungsmessungen in den feststehenden Referenzrahmen der Umgebung vor der Integration derselben verwendet wird. Eine Ungenauigkeit bei dieser Umwandlung kann zu Schwerkraft führen, welche als Vorspannung von sich ergebenden Horizontalbeschleunigungsmessungen erscheint.
Eine Weise zum Korrigieren der Drift ist zusätzliche Sensoren zu verwenden, wie beispielsweise Neigungsmesser und ein Kompass, um die Drift der integrierten Inertialmessungen gelegentlich oder kontinuierlich zu korrigieren.
Ein anderer Ansatz zur Bewegungsverfolgung verwendet akustische Wellen zum Messen eines Abstands zwischen einem oder mehreren Punkten auf einem Körper und feststehenden Referenzpunkten in der Umgebung. In einer Anordnung, „Outside-in"-Anordnung genannt, emittiert eine Gruppe von akustischen Emitter an feststehenden Stellen auf dem Körper Impulse, welche durch eine Gruppe von Mikrofonen an den feststehenden Referenzpunkten in der Umgebung empfangen werden. Die Flugzeit von einem Emitter zu einem Mikrofon ist zu einer Schätzung des Abstands zwischen dem Emitter und dem Mikrofon (d. h. der Entfernung) proportional. Die Schätzungen der Entfernung von den Emitter zu den entsprechenden Mikrofonen werden verwendet, um den Ort der Emitter zu triangulieren. Die Orte von mehreren Emitter auf dem Körper werden kombiniert, um die Orientierung des Körpers zu schätzen.
Andere Messmoden, wie beispielsweise die optische Verfolgung von Lichtquellen auf einem Körper, können auch verwendet werden, um die Bewegung des Körpers zu verfolgen.
Die Veröffentlichung Foxlin und andere: „ Miniature 6-DOF inertial system for tracking HMDs" in den Verfahren von SPIE, Bellingham VA, US Vol 3362, von April 1998, Seiten 214 bis 282, schlägt ein kombiniertes akustisches und inertiales Positions- und Orientierungsverfolgungssystem vor. Die Positionsmessung von Inertialsinnen bzw. Inertialwahrnehmungen (inertial senses) wird für Driften unter Verwendung von Ultraschall-Flugzeit-Entfernungsmesssystemen korrigiert. Die akustische Messung wird durch eine unidirektionale Flugzeitmessung zwischen einem Sender, welcher geeignet ist, um auf einem Menschen verwendet zu werden, und einem Empfänger, welcher auf bekannten Koordinaten platziert wird, erzielt. Der Empfänger überträgt ein Infrarot-Steuersignal, auf welches die Sender unmittelbar durch Emittieren eines Ultraschallsignals ansprechen. Basierend auf der Schallgeschwindigkeit bestimmen drei Empfänger Entfernungsmessungen. Die Entfernungsmessungen werden zum Auffrischen bzw. Aktualisieren der Ortschätzung und Orientierungsschätzung des Körpers verwendet.
US 5.495.427 beschreibt eine Ultraschall-Einrichtung zur Positions- und Orientierungsverfolgung. Auf einem Helm ist eine Vielzahl an Sensoren angeordnet, welche ein Ultraschallsignal erfassen, welches durch einen einzigen entfernten Sender emittiert wird. Basierend auf den Phasendifferenzen in den erfassten Signalen wird eine Orientierung des Helms in Bezug auf den Sender bestimmt.
US 5.491.670 offenbart ein System und Verfahren zum Erfassen einer Position eines geführten Fahrzeugs. In einem Arbeitsraum ist eine Vielzahl an Referenzvorrichtungen angeordnet, welche Töne emittieren. Flugzeitmessungen jedes Tons zu einem auf dem geführten Fahrzeug platzierten Sensor werden zum Messen der relativen Abstände des Fahrzeugs zu jeder Referenzvorrichtung verwendet. Basierend auf den bekannten Positionen der Referenzvorrichtungen wird die Fahrzeugposition durch Triangulation bestimmt.
In der Veröffentlich „A Survey of Position Trackers" von Meyer und anderen, Presence, Cambridge, MA, US, Vol. 1, Nr. 2, 21. März 1992, Seiten 173 bis 200, und in der Veröffentlichung „Position trackers for Head Mounted Display systems: A survey" von Devish Kumar Bhatnagar an der Universität von Carolina, Department of Computer Sciences, werden akustische Verfolgungssysteme erörtert. Anordnungen von Sensoren und Sendern in feststehenden Positionen und auf dem beweglichen Körper werden in verschiedenen Kombinationen erörtert.
US 4.807.202 offenbart Sensoren auf einem beweglichen Körper, welche Ultraschallsignale von Sendern an feststehenden Orten empfangen, um eine Veränderung der Orientierung des beweglichen Körpers zu bestimmen.
Der Artikel „SCAAT: Incremental Tracking with Incomplete Information" von Greg Welch und Gary Bishop, veröffentlicht in Computer Graphics, T Whitted, Los Angeles, CA, USA, ACM Press Addison Wesley, S. 333–344, (1997), offenbart, dass eine Einzelobservation eini ge Informationen über den Zustand des Benutzers liefert und folglich verwendet werden kann, um eine vorausgegangene Schätzung inkremental zu verbessern.
Zusammenfassung
Die Erfindung liefert ein Verfahren, welches in Anspruch 1 definiert ist.
Vorteile der Erfindung enthalten das Liefern einer Verfolgungsfähigkeit mit einem Freiheitsgrad 6, welche über einen im Wesentlichen unbegrenzten Raum funktionieren kann, in welchem eine erweiterbare Konstellation von Ultraschallbaken installiert ist. Inertialmessungen liefern eine problemlose und ansprechende Abtastung der Bewegung, während die Ultraschallmessungen eine anhaltende Korrektur von Fehlern liefern, wie beispielsweise diese, welche durch Drift der Inertialverfolgungskomponente des Systems verursacht werden. Kleine und kostengünstige Inertialsensoren, welche oft eine relativ große Drift aufweisen, können verwendet werden, obwohl sie noch ein Gesamtsystem ohne unbegrenzte Drift liefern. Kleine, leichte Inertialsensoren eignen sich sehr zur auf dem Kopf montierten Verfolgung (head mounted tracking) für virtuelle oder erweiterte Realitäts-Displaysysteme. Durch das Korrigieren der Drift unter Verwendung von Ultraschallmessungen werden Driftkorrekturmessungen nicht erfordert, welche auf äußere Faktoren, wie beispielsweise Magnetfeldschwankungen, empfindlich reagieren können. Die Konstellation der Ultraschallbaken kann leicht erweitert werden, da jede Bake eigenständig funktioniert und keine Notwendigkeit für die Verdrahtung unter den Baken besteht. Die Verfolgungsvorrichtung ist nur auf die Verwendung einer kleinen Anzahl an Ultraschallbaken zu einer Zeit angewiesen, wodurch zugelassen wird, dass der Raum, in welchem die Verfolgungsvorrichtung arbeitet, ungleiche Bereiche aufweist, wie beispielsweise mehrere Zimmer in einem Gebäude.
Ein anderer Vorteil der Erfindung, ist dass durch das Verwenden einer „Inside-out"-Konfiguration keine Latenz in akustischen Entfernungsmessungen aufgrund der Bewegung des Körpers besteht nachdem eine akustische Welle emittiert wurde.
Noch ein anderer Vorteil der Erfindung ist, dass die Verfolgung unter Verwendung von Inertialmessungen selbst dann fortfährt, wenn keine akustischen Messungen gemacht werden können, beispielsweise aufgrund des Ausschlusses der Baken. Die Drift in der Inertialverfolgung wird dann korrigiert, sobald akustische Messungen noch einmal gemacht werden können.
Bei noch einem anderen Vorteil liefert die Erfindung eine Sichtlinienredundanz, wodurch ein oder mehrere Wege zwischen den Emittern und Sensoren gesperrt werden können, während die Verfolgung eines Körpers weiterhin zugelassen wird.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen offensichtlich sein.
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Verfolgungsvorrichtung und eine Konstellation von akustischen Baken, welche zum Verfolgen der Vorrichtung verwendet werden;
2 zeigt die Komponenten eines Prozessors einer Verfolgungsvorrichtung;
3 veranschaulicht einen Ansatz einer kombinierten inertialen und akustischen Verfolgung;
4 veranschaulicht eine Inertialmesseinheit (IMU);
5 zeigt eine Ultraschall-Entfernungsmesseinheit (URM) und eine Ultraschallbake;
6 zeigt eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle, welche in einem Verfolgungsvorrichtungsprozessor verwendet wird, um Inertial- und Ultraschalmesseinheiten zu koppeln;
7a veranschaulicht die Navigations- und Körper-Referenzrahmen;
7b veranschaulicht wechselseitige Verfolgungsvorrichtungen;
8 ist ein Signalablaufdiagramm eines Inertialverfolgers bzw. einer Inertialverfolgungseinrichtung;
9 ist ein Signalablaufdiagramm eines Ultraschall-Entfernungsmessuntersystems;
10 ist ein Signalablaufdiagramm einer Verfolgungsvorrichtung, welche eine Inertialverfolgungseinrichtung, eine Kalman-Vorhersageeinrichtung und Aktualisierungseinrichtungselemente enthält;
11 ist ein Signalablaufdiagramm einer Kalman-Vorhersageeinrichtung;
12 ist ein Signalablaufdiagramm einer Kalman-Aktualisierungseinrichtung;
13 ist ein Ablaufplan eines Verfolgungsablaufs;
14a veranschaulicht die Verfolgung eines zweiten Körpers relativ zu einem ersten verfolgten Körper;
14b veranschaulicht eine wechselseitige Verfolgung mehrerer Vorrichtungen;
15 veranschaulicht ein auf dem Kopf montiertes Anzeigesystem;
16 veranschaulicht ein Kameraverfolgungssystem für das Fernsehen; und
17 veranschaulicht die Verfolgung von Körpern in einem Kraftfahrzeug.
Beschreibung
In Bezug auf 1 kann sich eine Verfolgungsvorrichtung 100, welche eine Schätzung des Ortes und der Orientierung derselben aufrechterhält, innerhalb eines großen Raumes frei bewegen. Die Verfolgungseinrichtung 100 kann beispielsweise an einem Blickfeld-Darstellungsgerät (HUD) auf einem Kopf einer Bedienperson befestigt sein und die Verfol gungsvorrichtung 100 bewegt sich durch den Raum und verändert die Orientierung, da sich die Bedienperson durch den Raum bewegt und den Kopf derselben ausrichtet. Die Verfolgungsvorrichtung 100 enthält einen Prozessor 130, welcher an eine Inertialmesseinheit (IMU) 140 gekoppelt ist, welche Inertialmessungen liefert, welche die Linearbeschleunigung und Geschwindigkeiten der Drehung betreffen. Der Prozessor 130 verwendet die Inertialmessungen zum Bestimmen der Bewegung der Verfolgungsvorrichtung 100, da sie sich durch den Raum bewegt.
Der Prozessor 130 ist auch an eine Anordnung von drei Ultraschall-Entfernungsmesseinheiten (URM) 110 gekoppelt, welche zum Empfangen von akustischen Signalen verwendet werden, welche von einer Ultraschallbakenanordnung 120, einer „Konstellation" von Baken, gesendet werden. Die Ultraschallbakenanordnung 120 enthält unabhängige Ultraschallbaken 122 an feststehenden Orten in der Umgebung, welche beispielsweise an der Decke des großen Raumes in einem rechteckigen Muster, wie beispielsweise auf einem Gitter mit einem Abstand von 2 Fuß (60,96 cm), angeordnet sind. Der Prozessor 130 verwendet die Signale von bestimmten Ultraschallbaken 122 sowie bekannte dreidimensionale Orte dieser Baken, um die Entfernung zu diesen Baken zu schätzen und dadurch die Bewegung für die Verfolgungsvorrichtung 100 abzutasten. Jede Ultraschallbake 122 sendet einen Ultraschallimpuls 114 in Erwiderung auf ein Infrarot-Befehlsignal 112, welches von der Verfolgungsvorrichtung 100 gesendet wurde. Insbesondere überträgt jede URM 110 auf der Verfolgungsvorrichtung 100 Infrarot-Signale (IR-Signale) zu allen Ultraschallbaken 122. Diese IR-Signale enthalten Adressinformationen, so dass nur eine Bake oder eine geringe Anzahl an Baken jedes IR-Signal als für dieselbe vorgesehen erkennt und auf das Signal anspricht. In Erwiderung auf ein IR-Signal überträgt eine adressierte Bake unmittelbar einen Ultraschallimpuls, welcher dann durch eine oder mehrere URM 110 empfangen wird. Da der Prozessor 130 weiß, dass die adressierte Bake unmittelbar auf den IR-Befehl angesprochen hat, bestimmt er die Flugzeit durch Messen der Verzögerung vom Ausgeben des IR-Befehls bis zum Erfassen des Ultraschallimpulses. Die Flugzeit des Ultraschallimpulses wird dann zum Schätzen der Entfernung zur Bake verwendet, welche dann verwendet wird, um die Position und Orientierung der Verfolgungsvorrichtung 100 zu aktualisieren.
Sowohl die Inertialmessungen als auch die auf einem Ultraschallsignal basierenden Messungen weisen Beschränkungen auf. Das Verlassen auf jeweils einen der beiden Messmoden ist nicht so genau wie das Kombinieren der Messungen. Die Verfolgungsvorrichtung 100 kombiniert die Messungen von beiden Messmoden und passt die Positions- und Orientierungsschätzung derselben (d. h. 6 Freiheitsgrade, 6-DOF") an, um Messungen von beiden Moden während sie verfügbar sind oder nach einer Verzögerung wiederzugeben. Dafür veranstaltet der Prozessor 130 eine Implementierung eines erweiterten Kalman-Filters (EKF), welches verwendet wird, um die Messungen zu Kombinieren und anhaltende Schätzungen des Ortes und der Orientierung der Verfolgungsvorrichtung 100 sowie eine Schätzung der Ungewissheit bei solchen Schätzungen aufrechtzuerhalten.
In Bezug auf 2 enthält der Prozessor 130 eine Zentraleinheit (CPU) 200, wie beispielsweise einen Intel 80486 Mikroprozessor, einen Programmspeicher 220, wie beispielsweise einen Festwertspeicher (ROM), und einen Arbeitsspeicher 230, wie beispielsweise einen dynamischen Direktzugriffsspeicher (RAM). Die CPU 200 ist auch an eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 210 gekoppelt, welche eine Schnittstelle zur IMU 140 und URM 110 liefert. Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 210 enthält eine digitale Logik, welche die IMU 140 und URM 110 mit digitalen Schnittstellen versorgt.
Die IMU 140 liefert einen seriellen Datenstrom 201, welcher Inertialmessungen kodiert. Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 210 wandelt diese seriellen Daten in eine parallele Form 212 zur Übertragung zur CPU 200 um. Jede URM 110 nimmt ein serielles Signal 211 an, welches zum Antreiben einer IR-Lumineszenzdiode 510 verwendet wird, um die IR-Steuersignale zu den Ultraschallbaken 122 zu übertragen (1). Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 210 nimmt Adressinformationen von der CPU 200 an, welche eine oder mehrere Ultraschallbaken identifizieren, und versorgt jede URM 110 mit dem seriellen Signal, welche dann einer IR-Übertragung das serielle Signal auferlegen (z. B. durch Amplitudenmodulation). Alle URM 110, welche gleichzeitig das gleiche IR-Signal übertragen, werden mit dem gleichen seriellen Signal versorgt. Jede URM 110 versorgt wiederum die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 210, welche die jeweilige Ankunft der Ultraschallimpulse anzeigt, mit einem logischen Signal 202. Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 210 enthält Zeitgeber, welche die Flugzeit der Ultraschall impulse von den Baken bestimmen, und bestimmt dadurch die Entfernungsschätzungen zu den Baken. Die CPU 200 wird mit diesen Entfernungsschätzungen versorgt.
Eine Implementierung eines Verfolgungsalgorithmus wird im Programmspeicher 220 gespeichert und durch die CPU 200 ausgeführt, um die von der Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 210 erhaltenen Messungen in Positions- und Orientierungsschätzungen umzuwandeln. Die CPU 200 ist auch an einen Festdatenspeicher 240 gekoppelt, welcher Informationen, wie beispielsweise eine vorbestimmte Karte der Orte der Ultraschallbaken, und die Orte der Mikrofone der URM 110 enthält. Der Prozessor 130 enthält auch eine Kommunikationsschnittstelle 260 zum Koppeln der CPU 200 mit anderen Vorrichtungen, wie beispielsweise einer Anzeigevorrichtung 280, welche die Anzeige derselben basierend auf der Position und Orientierung der Verfolgungsvorrichtung 100 modifiziert.
Die Betätigung des Systems kann durch Bezug auf 3 verstanden werden, welche eine zweidimensionale Ansicht des in 1 gezeigten Raumes (von oben) ist. Die Folge an offenen bzw. leeren Kreisen und Pfeilen 310a-e stellt den Ist-Ort und die Ist-Orientierung der Verfolgungsvorrichtung 100 an jedem Schritt einer Folge von Zeitschritten dar. Basierend auf vorangehenden Messungen und Inertialmessungen im ersten Zeitschritt, stellen der gefüllten Kreis und Pfeil 312a die Schätzung durch die Verfolgungsvorrichtung 100 des Ortes und der Orientierung der Verfolgungsvorrichtung im ersten Zeitschritt dar. Im nächsten Zeitschritt bewegt sich die Verfolgungsvorrichtung 100 zur Position 310b und die Verfolgungsvorrichtung 100 aktualisiert basierend auf einer neuen Inertialmessung die Positionsschätzung derselben auf 312b. Dies wird für den nächsten Zeitschritt mit der Ist-Position 310c und der geschätzten Position 312c wiederholt.
Nach dem Erreichen der Position 310b sendet die Verfolgungsvorrichtung 100 einen IR-Befehl, welcher an einen der Ultraschallwandler 122 adressiert ist, wie durch die punktierte Linie 320 veranschaulicht. Nach dem Empfangen des IR-Befehls (im Wesentlichen ohne Verzögerung) überträgt der Ultraschallwandler 122 einen Ultraschallimpuls, wie durch die Welle 324 veranschaulicht. Die Welle 324 erreicht die Verfolgungsvorrichtung 100 etwas später am Ist-Ort 330. Basierend auf der Ankunftszeit schätzt die Verfolgungsvorrichtung 100, dass sie sich an der Position 332 befand, als die Welle 326 dieselbe erreichte.
Im nächsten Zeitschritt schätzt die Verfolgungsvorrichtung 100 erst die Position 312d derselben basierend auf einer Inertialmessung. Unter Verwendung der Entfernungsinformationen, welche die Trennung des Ortes des Ultraschallwandlers 122 und des Ortes 332 betreffen, und der gemessenen Flugzeit der Ultraschallwelle berechnet die Verfolgungsvorrichtung 100 eine verfeinerte bzw. verbesserte Positionsschätzung 312d'. Das Verfahren wiederholt sich unter Verwendung von Inertialmessungen an der wahren Position 310e und geschätzten Position 312e.
Im Allgemeinen kann sowohl eine Inertialmessung als auch eine Ultraschallmessung in jedem Zeitschritt verwendet werden, obwohl eine Ultraschallmessung weniger häufig ausgeführt werden kann. In jedem Zeitschritt wird sowohl der Ort als auch die Orientierung (Lage) aktualisiert. Die Ultraschallimpulse können Informationen, welche sowohl den Ort als auch die Orientierung betreffen, durch die Verwendung von mehreren Mikrofonen liefern, welche relativ zueinander versetzt sind.
In Bezug auf 4 enthält eine Inertialmesseinheit (IMU) 140 drei Winkelgeschwindigkeitssensoren (z. B. mikrobearbeitete, vibrierende Rotationssensoren oder kleine, sich drehende Gyroskope) 420a-c, und drei Linearbeschleunigungssensoren 410a-c. Die Sensoren sind angeordnet entlang drei orthogonalen Achsen zu liegen, welche im Referenzrahmen der Verfolgungsvorrichtung 100 feststehend bleiben. Jeder Beschleunigungssensor liefert ein Signal, welches zur Beschleunigung entlang der entsprechenden Achse im Allgemeinen proportional ist, und jeder Winkelgeschwindigkeitssensor liefert ein Signal, welches zur Geschwindigkeit der Drehung um die entsprechende Achse herum im Allgemeinen proportional ist.
Da sich die Orientierung der Inertialmesseinheit 140 verändert, entsprechen die Signale, wie z. B. die Beschleunigungssignale, den sich verändernden Richtungen im feststehenden (Navigations-) Referenzrahmen des Raumes. Die Inertialmesseinheit 140 enthält auch eine Signalschnittstelle 430, welche die Signale 411 von allen sechs Beschleunigungsmessern und Winkelgeschwindigkeitssensoren annimmt und einen seriellen Datenstrom 413 überträgt, welcher digitale Darstellungen der Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitssignale multiplext. Wie weiter unten erörtert wird, sind die Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitssignale mangelhaft und können zusätzliche Vorspannungs- und Skalierungsungenauigkeiten auf weisen. Diese Skalierungs- und Vorspannungsungenauigkeiten können von der Bewegung der Vorrichtung abhängen.
In Bezug auf 5 enthält jede Ultraschallmesseinheit 110 eine Infrarot (IR)-Lumineszenzdiode (LED) 510, welche durch einen IR-Signalgenerator 512 angetrieben wird. Der Signalgenerator 512 nimmt das serielle Signal 211 von der Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 210 an (2) und treibt die IR-LED 510 an, um dieses Signal zu einer oder mehreren Ultraschallbaken 122 zu übertragen. Die Adresse einer Ultraschallbake, zu welcher eine Entfernung erwünscht wird, wird im seriellen Signal 211 kodiert. Jede Ultraschallbake 122 enthält einen IR-Sensor 540, welcher, wenn es einen ausreichend kurzen, unversperrten Weg zwischen der Ultraschall-Entfernungsmesseinheit 110 und dieser Ultraschallbake gibt, das IR-Signal empfängt, welches dann durch einen IR-Signaldekodierer 542 dekodiert wird. Dieses dekodierte Signal enthält die Adressinformationen, welche durch die Ultraschall-Entfernungsmesseinheit übertragen werden. Der Steuerkreis 560 empfängt das dekodierte IR-Signal und bestimmt, ob diese Ultraschallbake wirklich adressiert ist, und signalisiert, wenn dies zutrifft, einem Impulsgenerator 552 einen Ultraschallwandler 550 mit einem Signal zu versorgen, welcher einen Ultraschallimpuls erzeugt. Der Impuls geht durch die Luft zur Ultraschall-Entfernungsmesseinheit 110, in welcher ein Mikrofon 520 den Ultraschallimpuls empfängt und ein entsprechendes elektrisches Signal zum Impulsdetektor 522 weiterleitet, welcher ein logisches Signal erzeugt, welches die Ankunft des Impulses anzeigt. Dieses Impulserfassungssignal wird an die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 210 weitergeleitet (2). Wie nachstehend erörtert wird, ist die Flugzeit keine vollkommen genaue Entfernungsmessung. Fehlerquellen enthalten Fehler der zeitlichen Steuerung bzw. Timingfehler bei der Erfassung des Impulses, Geschwindigkeitsschwankungen der akustischen Ausbreitung, beispielsweise aufgrund der Lufttemperatur oder Luftströmung, und die ungleichmäßige Ausbreitung in unterschiedliche Richtungen der Ultraschallwelle von der Ultraschallbake.
Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 210 enthält einen Schaltkreis (z. B. eine programmierbare Logikanordnung), welcher logische Komponenten implementiert, welche in 6 gezeigt sind. Ein IMU-Datenpuffer 630 nimmt die seriell kodierten Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitsdaten 413 von der IMU 140 an und liefert die sechs Beschleunigungs- und Rotationsmessungen 631 als Ausgabe an die CPU 200. Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 210 enthält auch einen Bakenadresspuffer 610. Die CPU 200 (2) liefert eine Adresse der Ultraschallbake, zu welcher eine Entfernung gemessen werden sollte. Der Bakenadresspuffer 610 speichert die Adresse und versorgt jede URM 110 mit dieser Adresse in serieller Form. Zur gleichen Zeit, zu welcher die Adresse durch jede der URM 110 übertragen (und durch die Ultraschallbaken 122 empfangen) wird, werden drei Zähler 620a-c zurückgesetzt und beginnen mit dem Inkrementieren von Null mit einer feststehenden Takterzeugungsrate (z. B. 2 MHz). Wenn jede URM 110 den Ultraschallimpuls von der Bake erfasst, wird das entsprechende Impulserfassungssignal zum entsprechenden Zähler weitergeleitet, welcher das Zählen beendet. Die Zählungen sind dann für die CPU 200 als Messungen der Flugzeit des Ultraschallimpulses von der Ultraschallbake zu jeder URM 110 verfügbar.
In Bezug auf die 7a-b bestimmt die Verfolgungsvorrichtung 100 (1) den Ort derselben im Navigationsreferenzrahmen des Raumes, welcher als Achsen 710 gezeigt ist, die mit N (Norden), E (Osten), und D (nach unten) gekennzeichnet sind. Der Ort r ⁽ⁿ⁾ 730 ist ein Vektor mit den Komponenten (r (r) / N, r (n) / E, r (n) / D)^T der Verschiebung von den Achsen 710 in Richtung von N, E bzw. D. Die Verfolgungsvorrichtung 100 bestimmt auch die Lage (Orientierung) derselben.
In Bezug auf 7b wird die Lage hinsichtlich des Rollwinkels, Nickwinkels und Gierwinkels (Euler-Winkel) dargestellt, θ(Ψ ,θ, ϕ)^T, welche erfordert werden, um die Körperlage, welche durch die Koordinatenachsen 720 dargestellt ist, mit der durch die Koordinatenachsen 710 dargestellten Navigationslage auszurichten. Die drei Euler-Winkel sind als 3 × 3-Richtungskosinusmatrix dargestellt, Cnb (θ), welche einen Vektor der Koordinaten im Körperreferenzrahmen durch im Wesentlichen Anwenden in der Reihenfolge von Gier-, Nick- und dann Rollbewegungen um die z, y und dann x-Achse herum umwandelt. Die Richtungskosinusmatrix kann als
definiert sein.
Die hochgestellte und tiefgestellte Notation C n / b kennzeichnet, dass die Matrix einen Vektor im „b"-Referenzrahmen (Körper-Referenzrahmen) nimmt und einen Vektor im „n"-Referenzrahmen (Navigations-Referenzrahmen) liefert.
In Bezug auf 8 versorgen die Inertialsensoren 800, welche die Rotationssensoren 420a-c und Beschleunigungssensoren 410a-c enthalten, eine Inertialverfolgungseinrichtung 810 mit Inertialmesssignalen. Die Inertialverfolgungseinrichtung 810 implementiert eine diskrete Zeitnäherung des Signalflusses, welcher in 8 gezeigt wird. Die Inertialverfolgungseinrichtung 810 enthält mehrere Stufen. Zunächst modifiziert eine Gyroskopkompensation 820 das (Vektor-)Winkelgeschwindigkeitssignal ω, um die Vorspannung in der Messung zu berücksichtigen. Bei diesem Beispiel wird nur eine additive Vorspannung δω korrigiert. Andere Vorspannungen, wie beispielsweise ein Multiplikationsfehler (z. B. ein falscher Skalenfaktor), und andere Fehler aufgrund von Montageungenauigkeiten können auch korrigiert werden. Die Beschleunigungsmesserkompensation 830 korrigiert ähnlich eine additive Vorspannung δa ^(b) auf den Beschleunigungssignalen a ⁽ ^b ⁾. Wie nachstehend vollständig erörtert wird, werden einige Parameter, welche die Vorspannungsausdrücke δω und δa ^(b) enthalten, unter Verwendung von Ultraschallmessungen geschätzt.
Die Lageintegration 840 aktualisiert die Lageschätzung basierend auf dem Rotationssignal mit einer korrigierten Vorspannung. Bei diesem Beispiel wird die Lageintegration während einer Richtungskosinusdarstellung der Lage durchgeführt. Eine diskrete Zeitimplementierung der kontinuierlichen Differenzialgleichung
wird zum Aktualisieren der Richtungskosinusmatrix mit einer feststehenden Geschwindigkeit, üblicherweise zwischen 100 und 200 pro Sekunde, verwendet. Durch Veränderung der Notation in ein diskretes Zeitsystem (z. B. Ck = Cnb (kΔt)) wird die diskrete Zeitaktualisierung der Richtungskosinusmatrix als
implementiert, wobei
und
die schiefsymmetrische Matrix von δθ sind. Beachten Sie, dass S(δΘ) Folgendes erfüllt: S(δθ)2 = δθ I – δθ δθ T.
Um zu gewährleisten, dass C_k wirklich eine Richtungskosinusmatrix ist, werden die Reihen derselben nach jeder Iteration orthonormalisiert, um jegliche Zahlen- oder Näherungsfehler zu beseitigen, welche in diese Einträge gelangt sein können.
Basierend auf der verfolgten Richtungskosinusmatrix C_k, nimmt die Transformation 850 das Beschleunigungssignal mit einer korrigierten Vorspannung im Körper-Referenzrahmen an und gibt ein Beschleunigungssignal in den Navigations-Referenzrahmen gemäß
aus.
Die Doppelintegration 850 berechnet dann die Geschwindigkeit und Position gemäß
und
Die Euler-Winkelberechnung 870 nimmt die Richtungskosinusmatrix und gibt die entsprechenden Euler-Winkel aus. Die Ausgabe der Inertialverfolgungseinrichtung 810 ist (θ, r ⁽ⁿ⁾)^T. Der Zustand der Inertialverfolgungseinrichtung enthält einen 15-dimensionalen Vektor, welcher aus fünf Sätzen an dreidimensionalen Werten x = (θ, ω, r (n), ν (n), a (n))T besteht.
Wie nachstehend vollständig erörtert wird, empfangt die Inertialverfolgungseinrichtung Fehleraktualisierungssignale δx, die von Ultraschall-Entfernungsmessungen abgeleitet werden, welche dieselbe verwendet, um die Lage-, Geschwindigkeits- und Positionswerte zu korrigieren und die Parameter der Gyroskop- und Beschleunigungsmesser-Vorspannungskorrekturelemente zu aktualisieren.
In Bezug auf 9 empfangt ein Bakensequenzer 910 Ortschätzungen r ⁽ⁿ⁾ von der Inertialverfolgungseinrichtung 810. Unter Verwendung einer Bakenkarte 915 der Orte (und Adressen) der Ultraschallbaken 122 (in 1 gezeigt), bestimmt der Bakensequenzer 910, welche Bake in jedem Zeitschritt anzusteuern ist, um Ultraschall-Entfernungsmessungen zu erzeugen. Beispielsweise bestimmt der Bakensequenzer 910 die Baken, welche sich am nächsten zum Ist-Ort befinden, und durchlauft zyklisch diese Baken bei jedem Zeitschritt. Da sich die Ortschätzung verändert, verändert sich im Allgemeinen auch die Gruppe an nächsten Baken. Nachdem der Bakensequenzer 910 jede der Bake der Reihe nach ansteuert, kommen die entsprechenden Ultraschallimpulse an und werden durch die Verfolgungsvorrichtung erfasst. Jeder Impuls erzeugt eine Entfernungsmessung für jedes Mikrofon, welches zum Erfassen des Impulses verwendet wird. In dieser Ausführungsform erzeugt jeder Impuls einen Satz an drei Entfernungsmessungen, eine von jedem Mikrofon in den drei URM 110.
Immer noch in Bezug auf 9, entspricht die Entfernungsmessung 920 dem Prozess zum Empfangen einer Ultraschall-Entfernungsschätzung. Die relevanten Parameter für eine Entfernungsmessung sind der Ort der adressierten Bake, b ⁽ⁿ⁾, der Ort der zum Erfassen des Impulses verwendeten Mikrofone, m ^(b) die Entfernungsschätzung selbst, d_r, und die Zeit, zu welcher der Impuls erfasst wurde, t_r, welche zum Korrigieren der Latenz in den Messungen verwendet wird. Beachten Sie, dass wenn die Ortschätzung fehlerfrei war und die Entfernungsschätzung völlig genau war, die Entfernungsschätzung dann dr = ||b (n) – (r (n)(tr) + Cnb (tr)m (b))||erfüllen würde.
Abweichungen von dieser Gleichwertigkeit werden zum Korrigieren der Parameter und Ausgaben der Inertialverfolgungseinrichtung 810 verwendet.
Ein komplementäres Kalman-Filter wird durch die Verfolgungsvorrichtung 100 verwendet, um die Schätzung des verfolgten Ortes und der verfolgten Orientierung durch inkrementales Aktualisieren der verfolgten Mengen zu verbessern während die Entfernungsmessungen eingehen. In Bezug auf 10 involviert der Ansatz zwei verwandte Komponenten. Da die Inertialverfolgungseinrichtung 810 die Ausgabe x derselben aktualisiert, hält eine Kalman-Vorhersageeinrichtung 1010 eine geschätzte Kovarianzmatrix P des Fehlers in x aufrecht.
Beispielsweise würde bei Abwesenheit einer Driftkompensation in der Inertialverfolgungseinrichtung 810 die Kovarianzmatrix P einem stets zunehmenden Fehler entsprechen.
Die zweite Komponente, welche in diesem Ansatz verwendet wird, ist eine Kalman-Aktualisierungseinrichtung 1020, welche Informationen von einer Entfernungsmessung 920 annimmt und unter Verwendung dieser Messinformationen eine Schätzung des akkumulierten Fehlers δx bestimmt, welche sie an die Inertialverfolgungseinheit 810 rückkoppelt, in welcher dieselbe zum Aktualisieren von x verwendet wird. Nach jeder Ultraschallmessung berechnet die Kalman-Aktualisierungseinrichtung 1020 auch eine neue geschätzte Kovarianzmatrix P(+) des Fehlers x nach der Aktualisierung, welche sie an die Kalman-Vorhersageeinrichtung 1010 rückkoppelt. Jede Ultraschallmessung korrigiert teilweise die Ausgabe der Inertialverfolgungseinrichtung 810. Eine kontinuierliche Reihe an Ultraschallaktulisierungen gewährleistet, dass der Fehler klein bleibt.
Die Inertialverfolgungseinrichtung 810 ist ein nichtlinearer Prozessor der Eingaben derselben und daher ist eine Formulierung eines Kalman-Filters für ein rein lineares Filter, welches durch Gaußsches Rauschen angetrieben wird, nicht geeignet. Unter Verwendung dessen, was im Allgemeinen als „erweitertes Kalman-Filter" (EKF) bekannt ist, wird ein linearisiertes, dynamisches Systemmodell verwendet, welches die Fehlerausbreitung in der Ausgabe x der Inertialverfolgungseinrichtung 810 kennzeichnet. Der Fehler, den das EKF modelliert ist
wobei die Komponenten den Komponenten der Vektorausgabe der Inertialverfolgungseinrich tung entsprechen. Beachten Sie, dass der Fehlerausdruck δa ^(b) im Körper-Koordinatensystem anstatt dem Navigations-Koordinatensystem modelliert wird und die anderen Elemente den Fehlern in der Ausgabe der Inertialverfolgungseinrichtung 810 direkt entsprechen. Die Parameter des linearisierten Fehlerausbreitungsmodells enthalten eine Zustandsübergangsmatrix und eine Kovarianzmatrix eines Antriebsrauschens, von welchem angenommen wird, dass es dieses Fehlermodell antreibt. Sowohl die Zustandsübergangsmatrix als auch die Kovarianz des Antriebsrauschens hängen von der Ausgabe der Inertialverfolgungseinrichtung ab. Bei Abwesenheit irgendwelcher Messungen bleibt der Mittelwert des Fehlerverfahrens null. Jedoch wächst die Kovarianz des Fehlers. Das linearisierte Modell der Fehlerausbreitung ist
Die Einträge von F_k = F(x _k-1) werden von einer Störungsanalyse der Aktualisierungsgleichungen abgeleitet, welche in der Inertialverfolgungseinrichtung 810 verwendet werden, und entsprechen den folgenden Fehlerausbreitungsgleichungen: Φ k = Φ k-1 – Cnb δω k-1, δω k = δω k-1, δr k = δr k-1 + Δtδν k-1 – 12 Δt2(Cnb δa (b)k-1 – S(Φ k-1)(a (n)k-1 + (0,0, – g)T) δν k = δν k-1 + Δtδa (b)k-1 – Δt S(Φ k-1)(a (n)k-1 + (0, 0, – g)T) und δa (b)k = δa (b)k-1 .
Es wird angenommen, dass die Kovarianz Q_k des Prozessrauschens w_k diagonal ist. Die Einträge dieser Kovarianzmatrix werden von bekannten Fehlerquellen in den Inertialmessungen, mit welchen die Inertialverfolgungseinrichtung 810 versorgt wird, abgeleitet, welche Fehler der additiven Vorspannung, Skalierungsfehler, Fehler der Ausrichtung der Sensoren mit den Körperachsen und Signalrauschen von den Sensoren selbst enthalten. Die einzelnen Varianzen hängen von der Ausgabe der Inertialverfolgungseinrichtung wie folgt ab:
wobei die einzelnen Varianzausdrücke wie folgt parametrisiert sind:

= GyroSkalierung ω_xΔt + GyroAusricht (ω_y + ω_z )Δt + GyroRauschen √Δt

= GyroSkalierung ω_yΔt + GyroAusricht (ω_x + ω₁)Δt + GyroRauschen √Δt

= GyroSkalierung ω₂Δt + GyroAusricht (ω_x + ω_y )Δt + GyroRauschen √Δt
σ_ω = GyroVorspannungVeränderungRate Δt

= BeschleuSkalierung a_xΔt + BeschleuAusricht (a_y + a_z)Δt + BeschleuRauschen √Δt

= BeschleuSkalierung a_yΔt + BeschleuAusricht (a_x + a_z)Δt + BeschleuRauschen √Δt

= BeschleuSkalierung a_zΔt + BeschleuAusricht (a_x + a_y)Δt + BeschleuRauschen √Δt
σ 2 / a = BeschleuVorspannungVeränderungRate Δt
, wobei GyroSkalierung, BeschleuSkalierung, GyroAusricht und BeschleuAusricht dem Grad an Ungewissheit bei Kalibrationskoeffizienten entsprechen, welche zur Gerätefehlerkompensation verwendet werden. Im Allgemeinen kann eine nicht diagonale Kovarianz des Prozessrauschens verwendet werden.
In Bezug auf 11 weist die Kalman-Vorhersageeinrichtung 1010 zwei Stufen auf. Eine Fehlerlinearisierungsstufe 1110 berechnet erst F_k und Q_k, wie oben umrissen wurde. Dann aktualisiert eine Kovarianzausbreitungsstufe 1120 iterativ die Fehlerkovarianz durch Anwenden einer Kovarianzausbreitungsgleichung Pk = Fk-1 Pk-1 FTk-1 + Qk des Kalman-Filters auf jeden Zeitschritt. Wenn eine Kalman-Vorhersageeinrichtung 1010 eine aktualisierte Kovarianz P(+) empfängt, welche als Ergebnis einer Ultraschallentfernungsmessung erzeugt wird, ersetzt diese aktualisierte Kovarianz die gegenwärtige Fehlerkovarianz P.
In Bezug auf 12 nimmt die Kalman-Aktualisierungseinrichtung 1020 die Ausgabe der Entfernungsmessung 920 sowie die Schätzung des Ortes und der Orientierung von der Inertialverfolgungseinrichtung 810 und die Kovarianz des Fehlers der Schätzung des Ortes und der Orientierung von der Kalman-Vorhersageeinrichtung 1010 an und berechnet eine Fehler schätzung und eine aktualisierte Kovarianz, welche sich aus dem Anwenden der Fehlerschätzung ergibt. Eine erste Stufe der Kalman-Aktualisierungseinrichtung 1020 ist die Messresiduumsberechnung 1210. Der Unterschied zwischen der erwarteten Entfernung und der gemessenen Entfernung wird als δdr = dr – ||b (n) – (r (n)(tr) + Cnb (tr)m (b))||berechnet.
Beachten Sie, dass im Allgemeinen eine Entfernungsmessung einige Zeit später verwendet wird, nachdem sie anfangs erfasst wurde. Um diese Latenz zu berücksichtigen, werden anstatt des Ortes und der Orientierung zur Zeit der Messung Schätzungen des Ortes und der Orientierung der Verfolgungsvorrichtung zu der Zeit, zu welcher der akustische Impuls ankam, verwendet. Die Schätzungen des Ist-Ortes, der Ist-Orientierung sowie der Ist-Linear- und Winkelgeschwindigkeit werden verwendet, um zur Messzeit zurück zu extrapolieren, um (r ⁽ⁿ⁾(t_r) und Cnb (tr) zu bestimmen.
Um die Kalman-Aktualisierungsgleichungen anzuwenden, wird dieses Residuum unter Verwendung einer linearisierten Beobachtungsgleichung als δdr = H(x, b, dr, m)δx + ηmodelliert.
Die Beobachtungsmatrix H_k = H(x _k, b, d_r, m) ist der lineare Effekt von Orts- und Orientierungsfehlern auf den Entfernungsmessungsfehler. Das additive Rauschen η weist eine Varianz R(x _k, b, d_r, m) auf. H_k hat die Form
Die Varianz R(x _k, b, d_r, m) wird abgeleitet, um verschiedene Ereignisse zu modellieren, welche mit der Ultraschall-Entfernungsmessung assoziiert werden. Da beispielsweise die Entfernung zunimmt, ist die Impulserfassung zum Teil aufgrund der Impulsverbreiterung schwieriger, und es wird eine erhöhte Varianz verwendet, um den assoziierten Entfernungsmessfehler zu modellieren. Die Varianz R(x _k, b, d_r, m) weist die Form auf und wird als σ2l = RauschenBoden + RauschenSkalierung dγ und σ2l = (kΔt – tr)Hk(ωx,ωy,ωz,0,0,0,νx,νy,νz,0,0,0,0,0,0))T parametrisiert.
Die ersten zwei Ausdrücke von H_k können alternativ auf null eingestellt werden, um die accelerometrische Neigungskorrektur zuzulassen (falls sie genauer ist). Wenn der dritte Ausdruck auf null eingestellt ist, wird die Gierdriftkorrektur über eine längere Zeitdauer aber mit höherer Genauigkeit auftreten.
Die Kalman-Aktualisierungseinrichtung 1020 enthält eine Stufe 1230 zum Annehmen/Ablehnen der Messung. Die Annahme-/Ablehnungsstufe 1230 nimmt das Messresiduum, δx, und die berechnete Varianz, R, des Messresiduums. Wenn das Messresiduum größer als ein vorbestimmtes Vielfaches der berechneten Standardabweichung des Messresiduums ist, dann wird die Messung als verdächtig abgelehnt, beispielsweise aufgrund des vorzeitigen oder späten Ansteuerns eines Ultraschall-Impulsdetektors. Andernfalls wird das Messresiduum weiter verarbeitet, um die Zustandsfehlerschätzung, δx, zu berechnen. Unter Verwendung der Aktualisierungsgleichungen des Kalman-Filters berechnet die Kalman-Verstärkungsberechnung 1240 die Kalman-Verstärkung als K = Pk HTk (HkPkHTk + R)–1.
Die Fehlerschätzeinrichtung 1250 berechnet dann die Fehlerschätzung als δx = K δd und die Kovarianzaktualisierungseinrichtung 1260 berechnet die aktualisierte Fehlerkovarianz als p(+) = (I – K H)Pk.
Die Komponenten δx von werden dann zum Aktualisieren der Inertialverfolgungseinrichtung 810 verwendet. Die berechneten Ausdrücke δω und δa ^(b)werden zur Gyroskop-Vorspannungskorrektur 820 bzw. Beschleunigungsmesser-Vorspannungskorrektur 830 weitergeleitet (8), wo sie zu den gegenwärtigen, gespeicherten Vorspannungsparametern addiert werden. Die berechneten Ausdrücke δν ⁽ⁿ⁾ und δr ⁽ ⁿ ⁾ werden dann zur Doppelintegration 860 weitergeleitet (8), wo sie zu den gegenwärtigen Schätzungen von ν ⁽ⁿ ⁾ bzw. r ⁽ⁿ⁾ addiert werden. Schließlich wird die Richtungskosinusmatrix gemäß ck – (I – S(Φ))ck aktualisiert und dann erneut orthonormalisiert.
Zurück in Bezug auf 1 enthält die Ultraschallbakenanordnung 120 einzelne Ultraschallbaken 122, welche in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. Beispielsweise können die Baken auf einem quadratischen Gitter mit einem Abstand von ca. 2 Fuß (ca. 61 cm), vorzugsweise mit einer Genauigkeit von 3 mm oder weniger angeordnet sein. Eine begrenzte Anzahl an Adressen ist für die Baken verfügbar, wobei in dieser Ausführungsform aufgrund von Hardwarebeschränkungen nur acht unterschiedliche Adressen verfügbar sind. Wenn die Verfolgungsvorrichtung einen IR-Befehl an eine Adresse sendet, werden daher im Allgemeinen mehrere Ultraschallbaken das Signal erhalten und ansprechen. Zur Entfernungsmessung wird nur die nächste Bake mit einer bestimmten Adresse verwendet. Da jedoch mehrere Baken auf jeden IR-Befehl ansprechen können, kann die Impulserfassungsschaltung vorzeitig angesteuert werden, beispielsweise durch einen Impuls von einer in einer vorangehenden Iteration angesteuerten Bake, aber diese ist ausreichend weit entfernt, dass der Impuls derselben bis nach einer anschließenden Iteration nicht ankommt. Um dieses Problem des vorzeitigen Ansteuerns zu lösen, wird der Impulsdetektor 522 (5) nur während eines Zeitfensters um die erwartete Ankunftszeit des erwünschten Impulses herum aktiviert. Dies verhindert ein falsches Ansteuern durch Impulse von anderen Baken oder Signale, welche sich aus einem konstanten Langzeit-Nachhall vorangehender Impulse ergeben.
In der Beschreibung der Abläufe der Verfolgung und Kalman-Aktualisierung wird angenommen, dass eine anfängliche Ort- und Orientierungsschätzung bekannt ist. Das trifft nicht unbedingt zu und ein automatischer Ermittlungs- bzw. Erfassungsalgorithmus wird durch die Verfolgungsvorrichtung 100 verwendet. Die beschränkte Anzahl an Adressen der Ultraschallbaken wird als Basis für einen anfänglichen Erfassungsalgorithmus verwendet. Anfangs steuert die Verfolgungsvorrichtung Baken mit jeder der zulässigen Adressen an und misst die Entfernung zur nächsten Bake jeder Adresse. Dann werden die Adressen der vier nächsten Baken anhand der Entfernungsmessungen bestimmt. Die Verfolgungseinheit enthält eine Bakenkarte, welche die Orte und Adressen aller Baken enthält. Die Baken sind derart angeordnet, dass die Adressen der vier nächsten Baken die möglichen Orte auf einen kleinen Anteil des Raums beschränken. Wenn eine Unklarheit basierend auf den nächsten Baken besteht, werden die Ist-Abstände zu den Baken in einem Triangulationsverfahren verwendet, um die Unklarheit zu lösen. Die anfängliche Orientierung basiert auf den relativen Entfernungsmessungen zu jedem der Mikrofone.
Der gesamte Verfolgungsablauf kann durch den in 13 gezeigten Ablaufplan zusammengefasst werden. Zunächst werden der anfängliche Ort und die anfängliche Orientierung unter Verwendung des oben umrissenen Ansatzes ermittelt (Schritt 1310). Das Verfahren gelangt dann in eine Schleife, welche jeden Zeitschritt einmal ausgeführt wird. Nach dem Warten auf den nächsten Zeitschritt (Schritt 1320) werden Inertialmessungen empfangen (Schritt 1330) und die verfolgten Variablen, x, und Fehlerkovarianz, P, unter Verwendung der Inertialmessungen aktualisiert (Schritt 1340). Wenn eine Ultraschall-Entfernungsmessung, welche noch nicht verarbeitet wurde, verfügbar ist (Schritt 1350), wird diese Entfernungsmessung zum Berechnen einer Fehleraktualisierung, δx, und aktualisierten Fehlerkovarianz, P(+), verwendet (Schritt 1360). Die Fehleraktualisierung und neue Fehlerkovarianz werden dann zum Aktualisieren der Inertialverfolgungseinrichtung und der Kalman-Vorhersageeinrichtung verwendet (Schritt 1370). Das Verfahren involviert dann das Bestimmen, ob weitere Entfernungsmessungen in diesem Zeitschritt befohlen werden müssen (Schritt 1380). Da drei Entfernungsmessungen für jeden Impuls erfolgen, aber nur eine Entfernungsmessung pro Zeitschritt verwendet wird, kann es einen Rückstand der Entfernungsmessungen geben, welcher in den bevorstehenden Zeitschritten angewendet werden wird. Daher kann es sein, dass eine neue Entfernungsmessung für mehrere spätere Zeitschritte nicht erforderlich ist. Unter Berücksichtigung der erwarteten Flugzeit des nächsten Ultraschallimpulses (welche im Allgemeinen mehr als ein einziger Zeitschritt ist), bestimmt das Verfahren, ob ein IR-Befehl zu einer Bake in diesem Zeitschritt gesendet werden sollte (Schritt 1380), die nächste Bakenadresse ausgewählt wird (Schritt 1390) und, wenn dem so ist, der IR-Befehl zu dieser Bake gesendet wird (Schritt 1395). Das Verfahren durchlauft dann wieder die Schleife beginnend mit Schritt 1320 und wartet auf den Anfang des nächsten Zeitintervalls.
Mehrere alternative Ansätze können auch verwendet werden. In der beschriebenen Ausführungsform wird nur eine Entfernungsmessung pro Zeitschritt verwendet. Alternativ können alle verfügbaren Entfernungsmessungen bei jedem Zeitschritt verwendet werden, wenn der Prozessor 130 eine ausreichende Rechenkapazität aufweist. Dieser alternative Ansatz wird durch Schleifendurchlauf vom Schritt 1370 zurück zum Schritt 1350 bis alle Entfernungsmes sungen berücksichtigt wurden, implementiert. Alternativ können anstatt des Anwendens der Kalman-Aktualisierungen für jede der skalaren Entfernungsmessungen der Reihe nach alle in einem einzigen Schritt unter Verwendung von ähnlichen Aktualisierungsgleichungen für Vektorbeobachtungen und korreliertem Beobachtungsrauschen angewendet werden. Auch können anstatt des Verzögerns der Verarbeitung einer Entfernungsmessung bis zum nächsten Zeitschritt die Entfernungsmessungen einbezogen werden wie sie ankommen und nicht mit den Aktualisierungen der Inertialverfolgungseinrichtung synchronisiert werden.
Der oben beschriebene Ablauf kann mit anderen Messmoden kombiniert werden. Beispielsweise können Neigungsmesser verwendet werden, um das erweiterte Kalman-Filter mit Messungen zu versorgen, welches die Korrektur der Lagedrift zulässt. Anstatt des Verwendens von drei oder mehreren Mikrofonen, welche die Korrektur aller drei Rotationsgrad zulassen, können auch zwei Mikrofone für die Entfernungsmessung in Kombination mit einem Messmodus, wie beispielsweise Neigungsmesser, verwendet werden. Auf diese Weise kann eine Driftkorrektur auf Neigungsmessern basieren, aber es wird kein Kompass, welcher auf magnetische Feldschwankungen empfindlich reagieren kann, zur Driftkorrektur erfordert. Es können auch viel mehr als drei Mikrofone verwendet werden, um eine größere Redundanz zu liefern und eine höhere Rotationsfreiheit zuzulassen.
Als Alternative zum Montieren der Baken an feststehenden Orten in der Umgebung und der Mikrofone auf die Verfolgungsvorrichtung, worauf oft als „Inside-out"-Anordnung Bezug genommen wird, könnte diese in eine „Outside-in"-Anordnung umgekehrt werden. Dann liefert die Verfolgungsvorrichtung die Ultraschallimpulse und eine koordinierte Anordnung an Mikrofonen tastet den Ort der Verfolgungsvorrichtung ab. Beachten Sie, dass mit der Zeit ein Impuls ein Mikrofon erreicht hat und sich die Verfolgungsvorrichtung im Allgemeinen zu einem neuen Ort bewegt haben wird. Diese Latenz der Messungen muss auf eine Weise kompensiert werden, welche der Kompensation der Latenz bei Verwendung der oben beschriebenen Entfernungsmessungen ähnelt.
Die Baken 122 müssen nicht in einer ebenen Anordnung montiert werden. Sie könnten an Wänden und an der Decke oder auf anderen Trägern in der Umgebung montiert werden. Die Baken könnten beispielsweise auf Lichtbefestigungen montiert werden. Die Anzahl an Baken kann ausgewählt werden, um den Benutzeranforderungen zu entsprechen, und die Orte der Baken können basierend auf einer Vielzahl an Kriterien ausgewählt werden, wie beispielsweise die Verfügbarkeit von geeigneten Befestigungsstellen und geometrische Berücksichtigungen, und die Bakenkarte kann eingestellt werden, um der Anzahl an und den Orten der Baken zu entsprechen. Die Anzahl an Baken in der Konstellation kann durch den Benutzer erhöht oder verringert werden solange die Bakenabbildung aktualisiert bleibt.
Die Befehlsignale von der Verfolgungsvorrichtung zu den Baken können unter Verwendung anderer Moden als der IR-Übertragung gesendet werden. Beispielsweise können RF-Signale, optische Signale oder akustische Signale verwendet werden. Die Verfolgungsvorrichtung kann auch mit den Baken verdrahtet sein.
Bei einer „Inside-outside-in"-Anordnung können zwei oder mehr Objekte verfolgt werden. In Bezug auf 14a verfolgt die Verfolgungsvorrichtung 100 den Ort derselben wie zuvor. Eine zweite Verfolgungsvorrichtung 1400 enthält drei adressierbare Ultraschallbaken 1410, welche in einem bekannten Verhältnis zueinander angeordnet sind. Durch das Ansteuern der Baken 1410, um akustische Impulse zu übertragen, welche an einer URM 110 auf der Verfolgungsvorrichtung 100 empfangen werden, kann die Verfolgungsvorrichtung den relativen Ort und die relative Orientierung der zweiten Verfolgungsvorrichtung bestimmen. Eine weitere Erweiterung, welche eine erhöhte Genauigkeit bei den Schätzungen des relativen Ortes und der relativen Orientierung liefert, involviert das Aufweisen einer zweiten Inertialmesseinheit, welche an der Verfolgungsvorrichtung 1400 befestigt ist, und das Übertragen der Inertialmessungen derselben zur Verfolgungsvorrichtung 100. Wenn nur eine einzige Bake auf dem zweiten Objekt platziert wird, kann der relative Ort unter Verwendung der Ultraschall-Entfernungsmessungen abgetastet werden, ohne notwendigerweise die relative Orientierung der zweiten Vorrichtung zu verfolgen.
In Bezug auf 14b kann ein „wechselseitiges Verfolgungsnetzwerk" verwendet werden, welches aus mehreren Verfolgungsvorrichtungen besteht. Diese Verfolgungsvorrichtungen verfolgen die individuellen Orte derselben in Bezug auf die Orte der anderen Vorrichtungen in der Umgebung, welche feststehende Baken und andere bewegliche, verfolgte Objekte ent halten. Dies kann mit einem zusätzlichen Kommunikationssystem erfolgen, welches die Verfolgungsvorrichtungen koppelt, wie beispielsweise ein lokales RF-Netzwerk.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird angenommen, dass die „Karte" der Bakenanordnung akkurat ist. Da die Entfernungsmessungen redundante Informationen enthalten, können Fehler bei der Platzierung der Baken iterativ geschätzt und aktualisiert werden, wodurch die Genauigkeit verbessert wird. Insbesondere können die Platzierungsfehler der Baken in dem Zustand des erweiterten Kalman-Filters enthalten sein und Entfernungsmessungen von jeder Bake würden dann mit der Zeit zum Schätzen der Platzierungsfehler beitragen. Ein separater, anfänglicher, automatischer „Abbildungs"-Modus kann auch verwendet werden, bei welchem durch die Entfernungsmessung von einem oder mehreren Orten im Raum und Triangulationsberechnungen die Orte der Baken bestimmt werden können. Diese automatisch bestimmten Orte können als die bekannten Orte oder als anfängliche Schätzungen verwendet werden, die dann unter Verwendung des Kalman-Filters weiter aktualisiert werden. Bei dieser Art an Ansatz können die Baken innerhalb des Raumes unregelmäßig platziert werden ohne zu erfordern, dass sie präzise positioniert werden.
Der oben beschriebene Verfolgungsansatz weist mehrere Anwendungen auf. Eine erste Anwendung involviert das Koppeln der Verfolgungsvorrichtung an eine auf dem Kopf montierte Anzeige. In Bezug auf 15 lässt eine auf dem Kopf montierte Anzeige 1510 zu, dass ein Benutzer ein physisches Objekt 1520, wie beispielsweise ein Werkstück, direkt ansieht. Die Anzeige 1510, welche den bekannten Ort des Werkstücks 1520 im Referenzrahmen des Raums verwendet, überlagert Informationen über die Sicht des Benutzers des Werkstücks. Durch Anlegen von Kabelsträngen an eine große Vorrichtung können beispielsweise überlagerte Informationen Informationen enthalten, welche die richtige Platzierung der Kabelstränge betreffen. Eine ähnliche auf dem Kopf montierte Anzeige kann auch verwendet werden, um das vollständige Bild zu liefern, welches durch einen Benutzer in einem Virtual-Reality-System betrachtet wird, anstatt ein Bild auf der realen Sicht zu überlagern, welche durch den Benutzer gesehen wird.
Eine andere Anwendung involviert das Verfolgen eines Kameraortes bei einer Fernsehanwendung. In Bezug auf 16 ist eine bekannte Technik bei der Filmproduktion eine Test person 1620 vor einem leeren (üblicherweise monochromen) Hintergrund zu filmen und dann ein anderes Bild (als 1630 veranschaulicht) als Hintergrund elektronisch zu überlagern. Eine Schwierigkeit bei solch einer Technik ist, dass sich das Hintergrundbild verändern sollte während sich die Kamera 1610 bewegt, um die Kamerabewegung wiederzugeben. Durch Anbringen der Verfolgungsvorrichtung 100 an der Kamera 1610 wird der Ort und die Orientierung der Kamera verfolgt und das Hintergrundbild kann durch einen Bildprozessor automatisch modifiziert werden, welcher die sich verändernde Position und Orientierung der Kamera empfängt. Dieser Ansatz lässt die Konstruktion von großen „virtuellen Sätzen" zu, welche im Bildprozessor gespeichert werden, und dadurch können mehrere und sich verändernde „Winkel" der Kamera verwendet werden.
Eine andere Anwendung involviert das Abtasten der Bewegung von Elementen in einem Kraftfahrzeug, z. B. bei einem Kraftfahrzeug-Aufpralltest. In Bezug auf 17 kann die Bewegung eines Dummys 1720 innerhalb eines aufprallenden Fahrzeugs 1710 unter Verwendung der Verfolgungsvorrichtung 100 verfolgt werden. Zudem kann ein zweites Objekt, wie beispielsweise eine Stelle auf der Brandschutzwand unter Verwendung einer zusätzlichen Bake 1730 verfolgt werden, welche den oben beschriebenen „Inside-outside-in"-Ansatz verwendet. Dies lässt sowohl das Verfolgen des Dummys im Referenzrahmen des Kraftfahrzeugs als auch das Verfolgen einer Stelle innerhalb des Fahrzeugs relativ zum Dummy zu.
Andere Anwendungen enthalten Roboternavigation, Verfolgung des Inventars, Vermögens oder Personals, virtuelle oder erweiterte Realität des Schiffsbords zur Schadenskontrolle, Filmkameraverfolgung, Unterhaltung (z. B. Themenparks und Spiele), Vollkörperverfolgung zur Bewegungserfassung und Waffenverfolgung.
Alternative Ausführungsformen können auch andere Ansätze zur Inertialverfolgung verwenden. Beispielsweise kann anstatt des Durchführens der Lageintegration unter Verwendung einer Richtungskosinusmatrix, die Lageintegration unter Verwendung von Euler-Winkeln oder Quaternionen äquivalent verwendet werden. Beachten Sie, dass die linearisierte Fehlerausbreitungssystemsmatrix und Antriebsrauschkovarianz etwas von dem bestimmten Verfolgungsalgorithmus abhängen können, welcher verwendet wird. Auch kann der Zustand des Kalman-Filters verändert werden, beispielsweise um andere Ausdrücke zu enthalten. Ein Bei spiel dessen ist nicht nur das Verfolgen der additiven Vorspannung des Beschleunigungsmessers, wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen, sondern auch das Verfolgen der multiplikativen Vorspannung (z. B. Fehler im Skalenfaktor) des Beschleunigungsmessersignals, Fehlausrichtung und Schallgeschwindigkeit.
Andere Verfahren der Entfernungsmessung können auch verwendet werden, welche die akustische Phase, RF-Flugzeit oder optische Flugzeit, RF- oder optische Phase und mechanische Kabelerweiterung enthalten.
Andere Verfahren zum Vereinigen der inertialen und akustischen Messungen können anstatt des Kalman-Filterns verwendet werden. Beispielsweise kann ein neurales Netzwerk, eine regelbasierte Argumentation oder Fuzzy-Logik-Systeme, oder Optimierungsverfahren verwendet werden, um die Messungen zu kombinieren.
In der obigen Beschreibung werden nur acht unterschiedliche Ultraschallbakenadressen verwendet. Alternativ kann eine große Anzahl an mehrfach genutzten Adressen verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Verfolgen einer Bewegung eines Körpers, der eine Bewegungsverfolgungsvorrichtung (100) mit einem Feld von drei Ultraschall-Entfernungsmesseinrichtungen (110) aufweist, mit den Schritten: Bereitstellen einer Mehrzahl von akustischen Referenzvorrichtungen (122), die eine begrenzte Anzahl von unterschiedlichen geteilten Adressen aufweisen; Bereitstellen einer vorbestimmten Karte der Orte der Mehrzahl von akustischen Referenzvorrichtungen (122); Ermitteln einer anfänglichen Orts- und Richtungs-Schätzung des Körpers; Auffrischen einer Orts- und Richtungs-Schätzung des Körpers aus Daten von einem Intertialverfolger (140); Auffrischen der Orts- und Richtungs-Schätzung mit den folgenden Schritten: Auswählen einer akustischen Referenzvorrichtung (122) aus einer Gruppe von akustischen Referenzvorrichtungen (122), wobei die Gruppe aus der Mehrzahl von akustischen Referenzvorrichtungen ausgewählt wird, die am nächsten zu der Ortsschätzung des Körpers sind; Übertragen eines Steuersignals (112), das eine Adressinformation aufweist, zu der ausgewählten akustischen Referenzvorrichtung (122), wodurch mehrere akustische Referenzvorrichtungen das Steuersignal (112) empfangen werden, es basierend auf der Adresse als ihnen zugewiesen erkennen und antworten werden; Empfangen von Entfernungsmess-Signalen von jeder der antwortenden akustischen Referenzvorrichtungen (122) an jeder der drei Ultraschall-Entfernungsmesseinrichtungen (110); Zulassen eines jeweiligen der Entfernungsmess-Signale (114) bezogen auf eine Entfernung zwischen einer jeden jeweiligen Entfernungsmesseinrichtung (110) und der einen ausgewählten der Mehrzahl von akustischen Referenzvorrichtungen (122) nur während eines Zeitfensters, in welchem das Entfernungsmess-Signal von der ausgewählten akustischen Referenzvorrichtung erwartet wird; Auffrischen der Orts- und Richtungsschätzung basierend auf nur den zugelassenen der Entfernungsmess-Signale, wodurch eine weitere Orts- und Richtungsschätzung erhalten wird; und wobei die Schritte des Auffrischens wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das die weiteren Schritte aufweist: Bestimmen einer Entfernungsmessung basierend auf einer Flugzeit des Entfernungsmess-Signals (114).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Übertragen des Steuersignals (112) das Übertragen eines drahtlosen Steuersignals beinhaltet.